상압 플라즈마 용사법을 이용한 핵융합로 대면부품용 텅스텐 피막의 기계적 물성 분석 및 개선 방안 연구

Abstract

최근 에너지 고갈 문제와 환경문제가 급증하면서, 핵융합 발전은 이를 해결할 수 있는 대체에너지원으로써 중요히 연구되고 있다. 본 연구의 목적은 불순물 및 헬륨 제거를 위해 차용된 핵융합로 디버터의 텅스텐 피막 대면재의 경도를 측정하고, 이 물성을 증가시킬 수 있는 방안을 찾는 것이다. 텅스텐 피막 제작법인 상압 플라즈마 용사법은 내부에 산화층을 갖는 스플랫 바운더리라는 유사 균열을 형성시킨다. 이 영역을 강화시키기 위하여 0.1Torr에서 800도, 950도 진공 열처리를 진행하였고, 스플랫 바운더리의 빈 공간을 제거할 수 있는 방식인 압력 열처리 또한 진행하였다. 기본 시편과 진공 열처리 시편, 압력 열처리 시편에 대한 미소 압입 시험을 시행, 각각 평균 1.546GPa, 1.518GPa, 2.189GPa로 측정되었다. 나노 압입 시험으로 스플랫 바운더리의 나노 경도가 스플랫 내부의 나노 경도보다 낮아지는 것과 스플랫 바운더리가 경도에 미치는 영향을 확인하였다. 단, 압력 열처리 시편의 위치 별 나도 경도 감소량은 다른 시편에 비해 작았다. EBSD를 통해 결정립 크기가 약 1μm임을 확인하였고, 스플랫 형성과정에 따른 층상구조와 주상구조를 발견하였다. 그러나 각 시편의 미세구조의 큰 차이는 확인할 수 없었다. 라만으로 각각의 시편의 산화 텅스텐의 결합을 확인한 결과, 기본 시편에서만 스플랫 바운더리에서 산화 텅스텐 피크가 발견되었고, 나머지 열처리 시편에서는 발생되지 않았다. 공초점 현미경을 도입하여 기본 시편과 압력 열처리 시편의 압흔 주변의 표면 거칠기를 측정하였다. 기본 시편의 거칠기는 0.317μm, 압력 열처리 시편의 거칠기는 0.102μm였다. 압력 열처리 이후 스플랫 바운더리에서 균열로 요철이 발생하는 비율이 낮아지는 것을 확인하였는데, 이것은 스플랫 간 결합력이 강화됨을 보여준다. 결과적으로 이번 연구를 통해서 상압 플라즈마 용사법으로 제작된 텅스텐 피막의 기계적 물성과 미세구조를 측정 및 관찰할 수 있었고, 압력으로 스플랫 바운더리의 빈 공간을 채우면서 열처리를 진행할 때, 텅스텐 내부의 산화층이 사라지며, 스플랫 간 결합력이 강해서 텅스텐 피막의 경도를 증가될 수 있다는 것을 확인하였다.