원자력 발전소 증기발생기 전열관 재료로 사용되고 있는 인코넬 600 합금의 내부식성 향상을 위하여, 연속파 이산화탄소 레이저로 인코넬 합금의 표면부를 레이저 표면 용융 및 레이저 표면 합금화 처리를 하였다. 레이저 표면 용융 실험에서는 표면부에 약 $200 \mu m$ 두께의 급속 응고 조직층을 얻었다. 이 응고층은 시편의 self-quenching에 의해 형성되므로 전형적인 급속 응고 조직을 보였다. 이 조직은 크게 레이저 빔에 의한 영향을 받지 않은 기지(matrix) 부분과, 용융되지는 않았으나 열영향을 받은, 용융층 바로 아래 부분의 열영향부, 그리고 용융을 거쳐 급속응고된 3 부분으로 이루어져 있었다. 급속 응고부는 응고시의 응고 속도에 따라 응고 모드의 변화를 보이는 것이 관찰되었다. 응고 속도가 느린 응고초기에는 고상과 액상의 계면의 불안정이 발생하지 않아 면선단 응고를 하였으며, 응고가 진행되어 응고속도가 빨라짐에 따라 셀 응고로 응고 모드가 변하였다. 레이저 빔의 출력이 크거나 빔의 주사 속도가 느린 경우, 수지상(dendritic) 응고를 하는 것으로 나타났으며, 이 때 면심입방체의 우선 응고 방향인 <100>방향으로 우선방위 응고가 일어나는 것이 XRD로 관찰되었다. 레이저 빔 조사후 액상에서 고상으로의 변태시, 고상 핵이 새로 생성되지 않고 기지부에 존재하는 기존의 입자를 핵생성 자리로 하여 응고하였다. 그 결과 기지부의 입자와 급속 응고부 사이에는 에피탁시(epitaxy)가 이루어졌으며 이로 인해 두 층간의 결합은 아주 강한 것으로 나타났다. 응고부는 $1 \sim 2 \mu m$ 크기의 cell로 형성되었는데 이는 급속 응고를 대변하는 것이며, 셀 경계에는 응고시의 크롬 용질 원소의 편석으로 인하여 입내보다 1~2 at%정도 크롬의 농도가 높았다. 예민화된 시편에 대한 레이저 조사효과를 보기위하여, 먼저 as-received alloy 600 시편을 600℃에서 24시간 열처리하였다. 예민화 열처리에 의해 시편 입계에 크롬탄화물이 석출되었으며 입계부는 크롬 고갈 영역으로 되었다. 이 시편의 표면을 레이저 용융하여 미세조직 변화와 응력부식에 대한 저항성을 관찰하였다. 레이저 표면 용융에 의해 예민화된 시편의 입계 및 입내에 존재하던 탄화물이 모두 용해되었으며, 응력부식에 대한 민감도를 나타내지 않았다. 응력부식 시험후 시편의 파단면을 관찰한 결과, 예민화된 시편에서는 입계를 통한 응력부식 균열의 전파에 의해 파괴 입계 취성 파괴면이 관찰되었다. 그러나, 이 시편을 레이저 표면 용융 처리한 뒤에는, 응력부식 균열은 관찰되지 않았으며 시편의 파괴 모드는 전형적인 딤플(dimple) 모드로 나타났다. 'Single beam track 실험'에 의해 응력부식균열의 전파 거동를 관찰한 결과, 레이저 표면 용융 처리는 응력부식 균열의 생성을 방지할 뿐만 아니라 그 전파까지 차단함을 알 수 있었다. 이 결과는 레이저 표면 용융이 이미 열화가 진행된 Alloy 600의 보수 도구로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. Alloy 600 재료의 일반부식과 입계부식 그리고 응력부식 특성을 증진시키기 위하여 레이저 표면 합금화 실험을 하였다. 이 경우, 레이저 빔 조사 전의 전코팅(precoating) 공정으로써 플라즈마 용사법과 크롬 전해 도금법을 사용하였다. 용사(plasma spray)에는 직경 $20 \mu m$의 분말을 사용하였으며, 순수 크롬 분말 또는 니켈과 크롬이 중량비로 50 : 50으로 섞인 혼합분말을 사용하였다. 혼합분말의 용사결과, 용사층은 비교적 균일한 두께를 가졌으며 크롬 스플랫(splat)과 니켈 스플랫이 반복적으로 융착되어 있는 조직을 보였다. 그러나, 용사층 내에는 용사시 생성된 크롬의 산화물과 기공, 용사층과 모재 사이의 틈새가 존재하였다. 이들 산화물과 기공은 레이저 표면 합금화 처리를 하여도 미세조직 내에 상당량 존재하였다. 또, 시편의 표면도 아주 거칠었다. 이러한 결함들은 용사전 기존의 결함들에 의한 것이다. 레이저 빔 조사시 용사층 내에 존재하던 기공이 서로 결합하고 급속 응고로 인해 시편 표면부로 빠져 나가지 못하여 포획되었으며, 용사층의 크롬 스플랫 표면에 존재하던 크롬 산화물 등이 응집되어 표면 합금층의 표면부로 부유한 후 응고되었음을 관찰할 수 있었다. 거친 표면이 나타나는 이유는 두 가지로 해석되었다. 우선, 용사층의 표면 거칠기에 의해 발생하는 것으로, 용사 분말의 직경이 약 $20 \mu m$ 정도이므로 파장이 $10.6 \mu m$인 레이저 빔의 다중 반사와 흡수를 들 수 있으며 다른 하나로 용사시 크롬 분말의 표면에 생성된 크롬 산화물로 인하여 발생하는 국부적인 레이저 빔 흡수를 들 수 있다. 용사후 레이저 합금화한 시편의 표면 합금층에서의 크롬 조성은 약 20 at.%정도였다. 용사를 통해 첨가해준 크롬이 $Cr_2O_3$의 산화물 형태로 되어 있었으며 이에 따라 기대값(25 at.%)보다 낮은 값을 보인 것으로 판단된다. 이러한 용사법의 문제를 해결하기 위하여 전해도금법을 이용하여 Alloy 600 표면에 $50 \sim 80 \mu m$ 두께의 도금층을 형성시켰다. 도금층은 약간의 열린 균열(open crack)이 존재하는 것 외에는 균일한 두께를 가졌으며 표면도 아주 매끈하였다. 도금 후 레이저 빔을 이용하여 레이저 표면 합금화를 행한 결과, 균질한 조성을 가지는 표면 합금층을 만들 수 있었으며 합금층의 크롬 조성은 28∼30at.%였다. 레이저 표면 용융 시편과 레이저 표면 합금화 시편의 부식 특성을 시험한 후 as-received 시편과 비교하였다. 이 결과에 따르면, 레이저 표면 용융 시편의 내부식성은 as-received 시편에 비해 소폭 증가하였으며 레이저 표면 합금화 시편의 경우 as-received, 레이저 표면 용융 시편과 비교해 뛰어난 내부식성을 보였다. 응력부식에 대한 저항성을 고찰하기 위하여 SSRT와 U-bend 시험을 하였다. 또, 레이저 처리된 시편의 일반 부식 외에 입계의 내부식성을 알아보기 위하여 double loop EPR 시험 및 modified Huey 시험을 행하였다. 그 결과, 레이저 처리된 시편은 모두 뛰어난 입계 내부식성을 보였다. 특히, 도금 후 레이저 합금화한 시편의 경우, 입계의 재활성화가 거의 일어나지 않는 것으로 나와 아주 뛰어난 특성을 보였다. 레이저 처리에 의한 입계 내부식성 향상의 이유를 알아보기 위하여 TEM/EDX로 입계와 셀경계(cell boundary)의 조성을 분석하였다. 레이저 표면 용융 시편의 일반부식 및 입계부식성 증진의 이유는 레이저 빔 조사에 의해 입계면에 존재하던 탄화물, 석출물, 편석 등의 pitting site가 제거되었기 때문으로 해석되었다. 레이저 표면 합금화 시편의 내부식성 향상은 두 가지 이유 때문인 것으로 판단되었다. 그 하나는 레이저 빔 처리로 인한 입계 석출물의 제거이며, 다른 하나는 표면층의 크롬 농도 증가이다. 레이저 합금화 시편의 경우 입계의 크롬 농도가 약 30 at%까지 증가하므로 높은 크롬 농도로 인해 입계 및 입내에 부동태 피막의 형성이 용이해지고 또 형성된 부동태 피막의 구조도 치밀해짐을 알 수 있었다.
