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Boron effect on high temperature oxidation and spallation behavior of a Ni-based superalloy (Alloy 617) = Alloy 617 합금의 고온 산화 및 산화스케일의 파쇄 거동에 대한 보론의 영향
서명 / 저자 Boron effect on high temperature oxidation and spallation behavior of a Ni-based superalloy (Alloy 617) = Alloy 617 합금의 고온 산화 및 산화스케일의 파쇄 거동에 대한 보론의 영향 / Hyeonuk Jeong.
저자명 Jeong, Hyeonuk ; 정현욱
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2018].
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초록정보

We report on the effect of minor boron additions to a Ni-based superalloy, Alloy 617. To analyze the effect of 200 ppm B, Alloy 617 and Alloy 617B were oxidized at $1050^\circ C$ in air for up to 100 h and compared based on weight gain measurement, SEM, TEM, EDS, XRD, and atom probe tomography (APT) investigation results. Both alloys showed similar microstructure of oxide layers and a trivial difference in the distribution of oxide phases. Oxide scale on both alloys were composed primarily of polycrystalline $Cr_2O_3 with (Mn, Co)Cr_2O_4$ spinel and Ti enriched grains on it. Two alloys were found to have similar oxidation resistance. Spallation of oxide scale upon cooling turned out to have occurred by intergranular cracking at $Cr_2O_3$ grain boundaries and Alloy 617B showed significantly reduced spallation. Segregation of about 0.04 at.% B at $Cr_2O_3$ grain boundaries was identified by APT investigation of Alloy 617B oxidized for 10 h. B segregation appears to be closely related to the reduced spallation. To speculate the origins for the difference in spallation between two alloys, partial covalent bond between Cr and B, and O and B, and properties of boron oxide were considered. However, without proper data for speculation, especially the exact boron sites at grain boundaries and the modified grain boundary structure by boron, the discussion section has been completed without reliable explanation.

발전소의 파이프용 소재로 각광 받고 있는 Alloy 617은 지난 수십 년 간 고온에서의 특성이 연구되어 왔고, 현재 상용화가 시도되고 있다. 또한 수십~수백 ppm의 보론 첨가를 통한 기계적 특성 향상이 보고되어 이와 관련한 상용화 연구도 진행 중인 것으로 알려져 있다. 그러나 $850^\circ C$ 이상의 온도에서 사용될 경우 보론의 첨가에 따른 산화 특성 및 산화 피막의 안정성에 미치는 영향이 검증되지 않았다. 본 연구에서는 보론의 영향을 파악하기 위해 Alloy 617 및 200 ppm의 보론이 첨가된 Alloy 617B를 산화시켜 비교, 분석을 진행하였고, 이를 위해 $1050^\circ C$의 공기 분위기에서 최대 100시간 동안 산화 실험이 진행되었다. 산화에 따른 무게 증가 및 산화막 두께 증가 경향의 비교 결과 산화에 대한 저항성에 차이가 없는 것으로 확인되었다. 표면 산화층 상 분석 결과 기존에 보고된 바와 같이 표면을 이루는 산화물 상의 하나인 $MnCr_2O_4$ 스피넬 상의 경우 망간과 함께 코발트가 같은 영역으로 응집되는 것으로 확인되어 $(Mn, Co)Cr_2O_4$가 생성되는 것을 확인하였다. 또한 SEM, TEM, EDS 및 XRD 분석 결과 표면 산화층을 이루는 산화물 상들의 분포에도 차이가 없는 것으로 확인되었다. 하지만 100시간의 산화 후 냉각하는 과정에서 일어나는 표면 산화층의 파쇄에서 차이가 확인되었다. 표면 산화층의 육안으로 식별 가능한 파쇄가 나타난 Alloy 617과 대조적으로 Alloy 617B의 표면은 SEM으로 관찰할 수 있는 정도의 파쇄만이 확인되었다. 산화층 파쇄에 대한 저항성의 원인을 분석하기 위해 FIB를 통한 TEM 샘플링이 진행되었고, Alloy 617과 617B 모두 다결정 $Cr_2O_3$ 표면 산화스케일에서 결정립계 크랙이 관찰되었으며, Alloy 617B의 표면 산화층을 3차원 원자 침 분석 기법(Atom probe tomography, APT)을 활용한 $Cr_2O_3$ 결정립계 분석이 진행되었다. 분석 결과 합금 내부의 보론이 산화 과정에서 표면 산화층으로 이동하여 $Cr_2O_3$ 결정립계에 응집되었으며, 크롬과 보론, 그리고 산소와 보론의 부분적인 공유 결합 특성 및 보론 산화물의 특성을 고려하여 산화층 파쇄 거동의 차이의 원인을 추정하였다. 보론 원자의 정확한 위치와 보론에 의한 $Cr_2O_3$ 결정립계 구조 변화에 관한 데이터의 부재로 신뢰할 만한 추정은 이루어지지 못한 상태로 디스커션 부분이 마무리 되었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MMS 18017
형태사항 v, 39 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 정현욱
지도교수의 영문표기 : Pyuck-Pa Choi
지도교수의 한글표기 : 최벽파
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과,
서지주기 References : p. 34-37
주제 Ni-superalloy
Alloy 617
Oxidation
Surface oxide layer
TEM
APT
Oxide scale
Spallation
니켈기 합금
Alloy 617
산화
산화스케일
산화스케일의 파쇄
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