KR101527112B1

KR101527112B1 - 니켈기 합금의 확산 접합방법

Info

Publication number: KR101527112B1
Application number: KR1020100050494A
Authority: KR
Inventors: 장창희; 김민우; 김동훈; 사인진; 구자현
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2015-06-08
Also published as: KR20110130930A

Abstract

본 발명은 니켈기 합금의 확산 접합방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 1) 니켈기 합금의 표면에 알루미늄 또는 니켈 알루미나이드를 물리적 증착시키는 단계, 2) 550 ~ 650℃의 온도하에서 상호확산 열처리(inter-diffusion heat treatment) 공정을 수행하여 금속간 화합물층(Intermetallic compound layer)을 형성하는 단계, 및 3) 상기 2) 단계로부터 제조되는 금속간 화합물층이 형성된 니켈기 합금 2종 간에 상기 금속간 화합물층을 접합부로 하여 확산 접합공정을 수행하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따라 제조되는 확산 접합된 니켈기 합금은 접합력이 우수하고, 고온 부식 저항성을 향상시킬 수 있다.

Description

니켈기 합금의 확산 접합방법{METHOD FOR DIFFUSION BONDING OF NICKEL-BASED ALLOYS}

본 발명은 니켈기 합금의 확산 접합방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 초고온 가스 냉각로의 인쇄기판형 열교환기 등에 적용할 수 있는 니켈기 합금을 표면 개질하고, 이를 확산 접합하는 방법에 관한 것이다.

콤팩트 열교환기는 기존 초고온 가스 냉각로의 중간 열교환기인 나선형 관형 열교환기에 비해 부피 및 무게가 상대적으로 매우 작기 때문에 새롭게 중간 열교환기의 후보로 제시되고 있다. 또한, 고온 고압에 견딜 수 있고 온도근접성이 우수하여 효율이 높다는 장점도 지니고 있다. 콤팩트 열교환기는 여러 개념이 제시되고 있는데, 그 중에서 인쇄기판형 열교환기가 밀착도가 가장 높은 것으로 보고되고 있다.

인쇄기판형 열교환기는 영국의 Heatric 사에서 세계 최초로 상용화에 성공하였다. 인쇄기판형 열교환기의 적용범위는 다른 일반적인 열교환기에 비해 월등히 넓어 현재 고온 고압의 석유화학 플랜트, 연료전지 반응기 및 개질기, CO₂ 히트펌프 및 온수기 등의 열교환 장치 등 다양한 분야의 열교환 장치에 적용하고 있으며, 전 세계적으로 수요처가 크게 확대되고 있다.

인쇄기판형 열교환기의 제작 과정은 확산 접합을 이용한다. 확산 접합은 다음과 같은 순서로 이루어진다. 먼저 mm 단위로 화학적 에칭된 마이크로채널 박판을 적층 밀착시킨다. 그 후에 융점 이하의 고온에서 모재의 소성 변형이 생기지 않을 정도로 압축한다. 고온 압축 과정에서 접합면 사이의 원자 확산이 이루어져 박판들이 접합이 되며, 이 원자 확산을 이용한 접합을 확산 접합이라고 부른다.

인쇄기판형 열교환기가 쓰이는 분야 중 하나인 초고온 가스 냉각로의 운전 조건은 기존의 가동중인 발전소보다 훨씬 가혹한 조건에서 운전이 된다. 특히, 900℃ 이상의 가동온도로 인하여 헬륨 냉각재에 포함되어 있는 미량의 불순물들은 구조재료의 건전성에 심각한 영향을 미칠 수 있다.

한편,니켈기 합금은 고온에서의 우수한 기계적 특성 및 내산화성 및 내부식성이 뛰어나기 때문에, 열교환기, 가스터빈, 화학공정 플랜트의 반응용기 등의 가혹한 환경에서 사용된다. 특히, 고온의 환경에서 사용되는 니켈기 합금의 경우 산소, 수증기, 탄소 등을 포함하고 있는 환경적인 영향으로 인하여, 재료 외부 혹은 내부에 산화 및 부식이 진행되어 재료의 기계적인 특성이 감소하게 된다. 이러한 고온 환경에 의한 재료의 특성 저하는 재료의 외부에 산화피막을 형성함으로써 외부환경과의 차단을 통하여 방지할 수 있다.

그러나, 인쇄기판형 열교환기 유로의 크기는 mm 단위로, 다른 열교환기에 비해 유로의 크기가 미세하기 때문에 비교적 적은 양의 부식에도 불순물 오염 시 열교환기 성능이 크게 떨어지게 된다. 따라서, 기존 재료의 초고온 강도를 유지시키면서 초고온 부식 저항성을 더 높이기 위한 방법이 필요하다.

본 발명은 초고온 가스 냉각로의 인쇄기판형 열교환기 등에 적용할 수 있는 니켈기 합금을 표면 개질하고, 이를 확산 접합시킴으로써 초고온 가스 냉각로의 운전조건인 900℃ 이상의 초고온에서도 안정적인 열교환기를 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

이에, 본 발명은

1) 니켈기 합금의 표면에 알루미늄 또는 니켈 알루미나이드를 물리적 증착시키는 단계,

2) 550 ~ 650℃의 온도하에서 상호확산 열처리(inter-diffusion heat treatment) 공정을 수행하여 금속간 화합물층(Intermetallic compound layer)을 형성하는 단계, 및

3) 상기 2) 단계로부터 제조되는 금속간 화합물층이 형성된 니켈기 합금 2종 간에 상기 금속간 화합물층을 접합부로 하여 확산 접합공정을 수행하는 단계

를 포함하는 니켈기 합금의 확산 접합방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 니켈기 합금의 확산 접합방법으로부터 제조되는 확산접합된 니켈기 합금을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 확산 접합된 니켈기 합금을 포함하는 인쇄기판형 열교환기를 제공한다.

본 발명에 따른 니켈기 합금의 확산 접합방법을 이용하여 제조되는 확산 접합된 니켈기 합금은 초고온에서도 안정적인 인쇄기판형 열교환기를 제조할 수 있다. 상기 확산 접합된 니켈기 합금은 초고온 부식으로 생성되는 불순물에 의한 오염을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 인쇄기판형 열교환기의 단점인 오염에 의한 성능 감소를 막아줄 수 있으며, 인쇄기판형 열교환기의 수명을 늘릴 수 있다. 또한, 수명에 따른 교체 비용의 절감으로 인해 에너지 산업에 경제적으로 이득을 가져다 줄 수 있다.

도 1은 본 발명의 일구체예로서 알루미늄 증착 후 상호확산 열처리를 수행한 표면 개질된 니켈기 합금의 단면 사진을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 일구체예로서 알루미늄 증착 후 상호확산 열처리를 수행한 표면 개질된 니켈기 합금을 1,100℃ 및 10MPa 조건으로 2시간 열간 가압시킨 단면 사진을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 일구체예로서 알루미늄 증착 후 상호확산 열처리를 수행한 표면 개질된 니켈기 합금을 1,100℃ 및 10MPa 조건으로 4시간 열간 가압시킨 단면 사진을 나타낸 도이다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

확산접합(diffusion bonding)은 피접합물을 접촉시켜 가열 및 가압함으로써 모재를 용융시키지 않고 원자간의 확산을 통해 접합시키는 방법이다. 모재를 용융시키지 않는다는 점에서 용접과 다르며, 별도의 접합재를 사용하지 않는다는 면에서 브레이징과 차별화된다. 확산접합의 가장 큰 장점은 모재를 용융시키거나 별도의 접합재를 사용하지 않기 때문에 접합면에서의 성분차이나 조직특성이 달라지지 않으며, 이 때문에 기존의 용접제품이나 브레이징 제품에 비해 내열성이나 접합강도가 훨씬 높아지는 효과를 가져온다.

본 발명에 따른 니켈기 합금의 확산 접합방법의 일구체예는 1) 니켈기 합금의 표면에 알루미늄 또는 니켈 알루미나이드를 물리적 증착시키는 단계, 2) 550 ~ 650℃의 온도하에서 상호확산 열처리(inter-diffusion heat treatment) 공정을 수행하여 금속간 화합물층(Intermetallic compound layer)을 형성하는 단계, 및 3) 상기 2) 단계로부터 제조되는 금속간 화합물층이 형성된 니켈기 합금 2종 간에 상기 금속간 화합물층을 접합부로 하여 확산 접합공정을 수행하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 니켈기 합금의 확산 접합방법에 있어서, 상기 1) 단계의 알루미늄 또는 니켈 알루미나이드의 물리적 증착은 당 기술분야에 알려진 방법을 이용할 수 있다. 보다 구체적으로 스퍼터링법 등을 이용할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 상기 1) 단계로부터 형성되는 알루미늄 또는 니켈 알루미나이드 증착층의 두께는 3 ~ 5㎛ 일 수 있다.

본 발명에 따른 니켈기 합금의 확산 접합방법에 있어서, 상기 2) 단계 공정으로부터 니켈기 합금의 표면에는 Al₃Ni₂를 포함하는 금속간 화합물층이 형성될 수 있다. 상기 금속간 화합물층은 기저 합금에 비해서 높은 초고온 산화 부식 저항성을 나타낼 수 있고, 초고온 산화시 안정한 보호 피막을 형성시킬 수 있다.

상기 금속간 화합물층의 두께는 10 ~ 20㎛인 것이 바람직하나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 니켈기 합금의 확산 접합방법에 있어서, 상기 2) 단계의 상호확산 열처리 공정은 550 ~ 650℃의 온도하에서 수행되는 것을 특징으로 한다. 상기 2) 단계의 상호확산 열처리 공정의 온도가 550℃ 미만인 경우에는 확산이 충분히 일어나지 않을 수 있고, 650℃를 초과하는 경우에는 알루미늄의 녹는점으로 인해 열교환기를 위한 표면 개질에 사용할 수 없는 조건이 될 수 있어 바람직하지 않다.

종래의 니켈기 합금의 열처리 공정은 약 800℃ 이상의 온도에서 수행되었다. 그러나, 본 발명은 550 ~ 650℃의 온도하에서 상호확산 열처리 공정을 수행함으로써, 공정비용, 시간 등을 절감할 수 있다.

상기 2) 단계의 상호확산 열처리 공정은 550 ~ 650℃의 온도하에서 2 ~ 4시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 니켈기 합금의 확산 접합방법에 있어서, 상기 3) 단계는 상기 2) 단계로부터 제조되는 금속간 화합물층이 형성된 니켈기 합금을 2종 준비하고, 상기 2종의 니켈기 합금 간에 상기 금속간 화합물층을 접합부로 하여 확산 접합공정을 수행하는 단계이다.

상기 3) 단계의 확산 접합공정은 당 기술분야에 알려진 방법을 이용할 수 있다. 상기 3) 단계의 확산 접합공정은 1,000 ~ 1,200℃ 및 5 ~ 15MPa의 조건으로 1 ~ 5시간 열간 가압시킴으로써 수행되는 것이 바람직하나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

상기와 같이, 니켈기 합금의 표면에 알루미늄 또는 니켈 알루미나이드를 물리적으로 증착시킨 후 확산 열처리 방식으로 표면 처리를 하고, 그 후 확산 접합을 수행하게 되면 니켈기 합금의 표면에는 금속간 화합물만이 존재하게 되어 초고온 부식 저항성을 향상시킬 수 있다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

< 실시예 1>

1) 표면 개질된 니켈기 합금의 제조

초고온 가스로 구조 재료 후보 물질인 니켈기 초합금(Inconel 617)을 기저 금속으로 하여 약 3㎛ 정도 두께의 알루미늄 박막을 스퍼터링을 통해 증착하였다. 상기 스퍼터링의 조건은 다음과 같다.

증착 온도: 상온

예비 압력: < 3 × 10^-6 torr

증착 압력: 5 × 10^-3 torr

DC power: 180W

증착 시간: 2시간

알루미늄의 녹는점은 660.32℃이기 때문에 확산 열처리의 조건은 녹는점보다 아래인 600℃에서 확산 열처리를 24시간에 걸쳐 실시하였다. 확산 열처리가 실시된 후의 알루미늄에 의해 표면개질이 된 니켈기 초합금 단면을 하기 도 1에 나타내었다. 확산 열처리 후에 확산층이 형성된 것을 확인할 수 있었으며, 확산층은 약 10㎛ 정도로 분포된 것을 확인할 수 있다. 각 층의 조성 분포는 하기 표 1에 나타내었다. 표면 개질의 결과 니켈-알루미늄 금속간 화합물이 형성됨을 확인할 수 있다.

[표 1]

2) 표면 개질된 니켈기 합금의 확산 접합

표면 개질된 니켈기 초합금을 확산 접합하기 위한 방법으로는 열간 가압 방법을 사용하였다. 열간 가압의 조건은 다음과 같다.

온도: 1,100℃

분위기: 불활성 분위기(Ar)

압력: 10MPa

시간: 2시간 및 4시간

두 금속의 열간 가압 후 주사전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscope)을 이용한 단면 미세조직을 하기 도 2에 나타내었다. 미세 조직 관찰 결과 열간 가압에 의하여 확산 접합이 된 것을 확인할 수 있다. 가압 및 고온의 조건은 나머지 확산층의 모양에도 약간 변화를 끼쳤음을 알 수 있다. 그 중 특징적인 것은 확산층 중간 Cr-rich 한 층에 Mo-rich 한 상들이 나타난다는 점이다. 각 확산층의 조성을 하기 표 2에 나타내었다.

[표 2]

열간 가압의 시간은 확산층의 변화에는 거의 영향을 끼치지 않았다. 하기 도 3에 열간 가압 시간을 다르게 하였을 때의 미세조직이 나타나 있다. 확산층의 두께나 모양에 있어서 변화를 거의 보이지 않음이 관찰되었다.

상기와 같은 결과로부터, 본 발명에 따른 니켈기 합금의 확산 접합방법을 이용하여 제조되는 확산 접합된 니켈기 합금은 초고온에서도 안정적인 인쇄기판형 열교환기를 제조할 수 있음을 알 수 있다. 상기 확산 접합된 니켈기 합금은 초고온 부식으로 생성되는 불순물에 의한 오염을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 인쇄기판형 열교환기의 단점인 오염에 의한 성능 감소를 막아줄 수 있으며, 인쇄기판형 열교환기의 수명을 늘릴 수 있다. 또한, 수명에 따른 교체 비용의 절감으로 인해 에너지 산업에 경제적으로 이득을 가져다 줄 수 있다.

Claims

1) 니켈기 합금의 표면에 알루미늄 또는 니켈 알루미나이드를 물리적 증착시키는 단계,
2) 550 ~ 650℃의 온도하에서 상호확산 열처리(inter-diffusion heat treatment) 공정을 수행하여 금속간 화합물층(Intermetallic compound layer)을 형성하는 단계, 및
3) 상기 2) 단계로부터 제조되는 금속간 화합물층이 형성된 니켈기 합금 2종 간에 상기 금속간 화합물층을 접합부로 하여 확산 접합공정을 수행하는 단계
를 포함하는 니켈기 합금의 확산 접합방법.

제1항에 있어서,
상기 1) 단계로부터 형성되는 알루미늄 또는 니켈 알루미나이드 증착층의 두께는 3 ~ 5㎛인 것을 특징으로 하는 니켈기 합금의 확산 접합방법.

제1항에 있어서,
상기 2) 단계의 금속간 화합물층은 Al₃Ni₂를 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈기 합금의 확산 접합방법.

제1항에 있어서,
상기 2) 단계의 금속간 화합물층의 두께는 10 ~ 20㎛인 것을 특징으로 하는 니켈기 합금의 확산 접합방법.

제1항에 있어서,
상기 3) 단계의 확산 접합공정은 1,000 ~ 1,200℃ 및 5 ~ 15MPa의 조건으로 1 ~ 5시간 열간 가압시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 니켈기 합금의 확산 접합방법.

제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 니켈기 합금의 확산 접합방법으로부터 제조되는 확산 접합된 니켈기 합금.

제6항의 확산 접합된 니켈기 합금을 포함하는 인쇄기판형 열교환기.