KR101291022B1 - 폭발 용접된 중간 부재를 구비한 재료 복합체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 부품과 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 부품을 포함하는 재료 복합체의 제조 방법에 관한 것이다. 재료 복합체의 부품들은 중간 부재에 의하여 서로 결합된다. 이와 유사하게, 중간 부재는 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 영역과 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 영역을 포함하며, 이들 영역들은 폭발 용접에 의하여 서로 결합된다. 재료 복합체의 부품은 융접 공정 또는 확산 용접 공정에 의하여 동일한 유형의 중간 부재의 영역과 각각 결합된다.
복합체, 융접, 폭발 용접, 확산 용접, 강, 구리, 티타늄, 알루미늄

Description

폭발 용접된 중간 부재를 구비한 재료 복합체{MATERIAL COMPOSITE WITH EXPLOSION-WELDED INTERMEDIATE PIECE}
도 1은 관형인 재료 복합체의 단면도이다.
본 발명은 강(steel) 또는 티타늄계 재료(titanium-based material)로 제조된 부품과, 구리계 재료(copper-based material) 또는 알루미늄계 재료(aluminum-based material)로 제조된 부품을 포함하는 재료 복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
구리계 재료 또는 알루미늄계 재료는 강 또는 티타늄계 재료와 융접(融接, fusion welding) 공정에 의하여 직접 결합될 수 없다. 본 명세서의 기재에 있어서, "-계 재료(-based materials)"라는 용어는 모재 금속(base metal)의 함량이 50중량%를 초과하는 합금을 의미한다. 강이라는 용어는 전체 계열의 강 재료를 포함한다.
강 또는 티타늄계 재료로 제조된 부품과, 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 부품을 포함하는 복합체 재료의 주된 적용 분야는 냉각 장비이다. 구리 와 알루미늄은 높은 열전도율로 인해 사용된다. 충분한 구조적 강도를 얻기 위하여, 구리 부품 또는 알루미늄 부품은 통상적으로 강 또는 티타늄 재료인 구조용 재료와 결합된다.
강/구리 재료 복합체는, 예를 들어 핵융합로의 제1벽 부재의 부품으로서 사용된다. 예를 들어 다이버터(diverter), 배플(baffle) 및 리미터(limiter) 영역과 같이 아주 높은 에너지 밀도를 갖는 영역에 대한 제1벽 부재의 개발은 핵연구의 기술적 실현을 위한 핵심 요소이다. 이들 재료를 밀착되게 결합시키는 것을 목적으로 하는 광범위한 개발 프로그램들이 진행되어 왔다.
예를 들어, 특히 강/구리 재료 복합체에 대한 다음의 해결 방안들이 공지되어 있다.
- 구리계 재료와 강 사이에 니켈 어댑터(Ni adaptor)를 용접,
- 전이부를 전기 도금에 의하여 도포된 층으로 밀봉,
- 확산 용접,
- 납땜.
납땜한 결합부는 내부식성과 강도에 관련된 결점을 갖는다. 확산 용접에 의해 제조된 결합부의 강도 또한 일반적으로 부적절하다. 게다가, 필요한 공정의 일관성을 확보하는 것도 매우 어렵다. 또한, 결합부는 매우 다양하고도 낮은 강도 특성을 갖는다. 열하중 검사에 의해 판명된 바와 같이, 구리계 재료와 강 사이의 니켈 어댑터에서의 용접도 바람직하지 않다. 예를 들어, 이러한 전이부에서는 국소적인 유동이 니켈 어댑터의 영역에서 일어날 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 특히 강도, 열피로 내성 및 내부식성에 대한 충분한 기능성을 갖춘 재료 복합체를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 독립항들에 의해 달성된다.
우선, 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 영역과 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 영역을 포함하는 중간 부품이 제조되며, 이들 영역들은 폭발 용접에 의해 결합된다. 이는, 앞서 언급한 재료들로 제조된 금속 시트/판을 사용하여 간단한 방식으로 수행될 수 있다. 구리 또는 알루미늄은 강 및 티타늄보다 연성(延性)이고 낮은 항복 강도(yield strength)를 가지므로, 구리 또는 알루미늄 시트/판이 강 또는 티타늄 시트/판상에 배치되는 것이 더욱 바람직하다. 이어서, 폭약이 구리 또는 알루미늄 시트/판에 부착된다. 폭발 용접된 연결부에 전형적으로 나타나는 바와 같이, 고강도를 갖는 파형의 치형 접합부가 형성된다. 적절한 형상의 중간 부재가, 기계 공정 또는 빔 공정에 의해 이러한 방식으로 제조된 복합체로부터 가공될 수 있다.
이어서, 복합체 재료의 부품은 융접 공정(fusion welding process) 또는 확산 용접 공정(diffusion welding process)에 의하여 중간 부재의 대응하는 영역과 결합된다. 본 명세서에 있어서, "대응하는(corresponding)"이라는 용어는, 재료 복합체의 부품과 재료 복합체에 결합된 중간 부재의 영역이 동일 유형의 재료로 제조되는 것을 의미한다. 본 명세서에 있어서, "동일 유형"이라는 용어는, 예를 들어 구리계 재료로 제조된 부품과 구리계 재료로 제조된 영역, 또는 강으로 제조된 부품과 강으로 제조된 영역과 같이 동일한 재료로 형성되는 것을 의미한다.
따라서, 예를 들어 강 및 구리계 재료를 포함하는 재료 복합체를 제조하기 위해서는, 우선 강 및 구리계 재료로 제조된 중간 부재가 폭발 용접에 의하여 제조되어야 한다. 이어서, 융접 공정 또는 확산 용접 공정에 의하여 강 부품이 중간 부재의 강 영역과 결합되고, 구리계 재료로 제조된 부품이 구리계 재료로 제조된 중간 부품과 결합된다. 중간 부재의 강은 나머지 재료 복합체의 강과 다른 구조 및/또는 다른 구성을 가질 수 있지만, 바람직하게는 동일한 구조 및/또는 구성을 가질 수 있다. 이는 구리계 재료에도 동일하게 적용된다.
이와 유사한 방식으로, 다음의 재료를 포함하는 재료 복합체를 제조하는 것이 가능하다:
- 강/알루미늄계 재료 (steel/aluminum-based material),
- 티타늄계 재료/구리계 재료 (titanium-based material/copper-based material), 그리고
- 티타늄계 재료/알루미늄계 재료 (titanium-based material/aluminum-based material).
각각의 경우에 있어서, 중간 부재의 개별 영역과 재료 복합체의 개별 부품이 동일하거나 유사한 구성을 갖는 것이 바람직하다. 특히 광범위한 마이크로구조를 갖는 강에 있어서도 유사한 마이크로구조를 갖는 것이 바람직하다.
예를 들어, 입자 경화 구리 합금(particle-hardened copper alloys)(예를 들 어, Cu-Cr-Zr) 또는 합금강(예를 들어, 316L과 같은 오스테나이트강)과 같은 가공 경화 재료가 재료 복합체용으로 사용되는 것이 바람직하다. 따라서, 중간 부재의 재료 영역 각각은(예를 들어, Cu-Cr-Zr/316L) 충분히 높은 유동 한계를 갖는다. 따라서, 국부적인 유동으로 파단될 수 있는 낮은 강도의 전이부가 형성되지 않는다. 따라서, 응력으로 인해 발생하는 신장(stretching)은 보다 넓은 영역에 걸쳐서 흡수되거나 재료 복합체 부품에 의해 처리된다. 게다가, 폭발 용접은 모든 조합의 재료에 대하여 비용 효율적이고 확립된 방법이다. 폭발 용접된 결합부는 비파괴 검사를 받을 수 있다. 재료 복합체의 중간 부재의 영역과 부품 사이의 결합부는 각각 동일한 유형의 재료로 형성되므로, 융접 또는 확산 용접 공정을 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 특히 활용가능한 융접 공정에는 텅스텐 불활성 가스(TIG: tungsten inert gas) 용접, 레이저 용접 및 전자빔 용접이 포함될 수 있다. 제1벽의 영역에 적용한 경우에 있어서, 추가적인 이점은 상대 투자(透磁)율이 가능한 한 낮아진다는 점인데, 이는 니켈이 사용되지 않기 때문이다.
냉각 부재로서 사용되는 경우에는, 중간 부재는 관부(tube section)로서 형성되고 복합체 재료의 부품은 관형으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우에, 관부로서 형성된 중간 부재는 폭발 용접에 의해 제조된 복합체 판으로부터 가공되며, 관부의 축방향 길이는 복합체 판의 두께에 상응한다. 강/구리계 재료로 제조된 재료 복합체에 대해 특히 바람직한 결과를 달성하는 것이 가능하다. 다양한 강종(鋼種, steel grade) 중에서, 오스테나이트강 또는 부분 오스테나이트강을 고려할 수 있다. 석출 경화 구리 합금 Cu-Cr-Zr과 같은 입자 경화 구리 합금이 구리계 재료로 적합하다고 판명되었다. 본 발명에 따른 방법은 핵융합로의 제1벽 부재 또는 핵융합로의 제1벽 부재의 부품의 제조에 이용되는 것이 특히 바람직하다.
이하의 기재에 있어서, 본 발명은 강/구리계 재료로 제조된 재료 복합체를 기초로 설명된다. 하지만, 본 발명에 따른 다른 재료 복합체를 그와 유사한 방식으로 제조하는 것도 가능하다.
실시예:
관형 재료 복합체(1)가 Cu-Cr-Zr/316L(오스테나이트강)으로부터 제조된다. 이러한 유형의 복합체 재료는 핵융합로의 다이버터에서 열교환기로 사용된다.
이를 위해, Cu-Cr-Zr으로 제조된 판이 용해 어닐링 담금질 상태에서 폭발 용접에 의하여 316L로 제조된 판과 결합된다. 이 두 판들 각각은 표면 영역이 500 x 500mm2이며 두께가 15mm이다. 폭발 용접의 경우에는, Cu-Cr-Zr 판이 "플라이어(flyer)"로서 사용된다. 이를 위해, 폭약이 Cu-Cr-Zr 판의 상단부에 배치되고 점화되어서, 접합부(7)가 형성된다.
용접 후에는, 복합체 판이 초음파 검사를 받는다. 이러한 방식으로 접합 영역 및 비접합 영역의 위치를 알아내는 것이 가능하다. 이어서, 슬러그(slug) 형태의 중간 부재(4)가 수압 절단(water jet cutting)에 의하여 결합 영역으로부터 판 외부로 절단되며, 이때 슬러그 축은 폭발 용접된 결합 표면(7)에 대하여 수직이다. 슬러그(4)는 15mm의 직경과 30mm의 높이를 갖는다. 강 영역(5)과 Cu-Cr-Zr 영역(6)은 각각 15mm의 두께를 갖는다. 폭발 용접부(7)는 이러한 결합 공정에서는 전형적 인 파형을 갖는다.
이러한 슬러그(4)의 두 단부들은 깊이가 5mm이고 직경이 12mm인 단차(step)를 형성하기 위해 선삭(turning) 가공된다. Cu-Cr-Zr 영역(6)에서의 단차는, Ø15 x 1.5mm를 갖는 관형으로 형성된 재료 복합체의 Cu-Cr-Zr 부품(3)이 조립되는 동안에 전자빔 용접을 위한 조심 수단(centering means)으로서의 역할을 한다. 316L측 영역(5)에서의 단차도 이와 동일한 역할을 수행한다.
316L으로 제조된 강 관(2)은 영역(5)의 중심에 배치되고, Cu-Cr-Zr 관(3)은 영역(6)의 중심에 배치된다. 이어서 전자빔 용접에 의해 밀착되게 결합됨으로써 조립체가 획득되며, 외부 용접 심(peripheral weld seam)(9)은 Cu-Cr-Zr에 배치되고 다른 외부 용접 심(8)은 316L에 배치된다. 이어서, 용접된 복합체가 475℃/3시간(h)의 상태에서 시효 경화(age-hardened)되고 가공되는데, 이는 외부 직경이 15mm이고 벽 두께가 1.5mm인 복합체 관(1)을 형성시키기 위함이다. 이어서, 헬륨 누설 검사(helium leak test), 염료 침투 검사(dye penetration test) 및 엑스레이 검사와 같은 검사가 온전하게 노출된 접합부에서 수행된다. 인장 검사 중에, Cu-Cr-Zr 관의 파괴가 일어난다. 이는, 폭발 용접부와 전자빔 용접부의 강도가 Cu-Cr-Zr의 강도보다 높음을 의미한다.
본 발명은 기존의 재료 복합체의 문제점인 결합부의 낮은 강도 및 내부식성을 해결한다.

Claims (12)

  1. 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 부품(2)과 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 부품(3)을 포함하는 재료 복합체(1) 제조 방법으로서,
    접합부(7)를 형성하기 위해 폭발 용접에 의해 결합되는 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 영역(5)과 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 영역(6)을 포함하는 중간 부재(4)가 제조되고,
    융접 공정 또는 확산 용접 공정에 의하여 상기 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 부품(2)은 접합부(8)를 형성할 수 있도록 상기 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 영역(5)과 결합되고 상기 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 부품(3)은 접합부(9)를 형성할 수 있도록 상기 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 영역(6)과 결합되며,
    상기 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 부품(2)과 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 영역(5)은 동일한 모재 금속을 포함하는 재료로 형성되고, 상기 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 부품(3)과 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 영역(6)은 동일한 모재 금속을 포함하는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 재료 복합체 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 부품(2)과 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 영역(5)은 동일한 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 재료 복합체 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 부품(3)과 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 영역(6)은 동일한 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 재료 복합체 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 금속 시트는 폭발 용접에 의하여 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 금속 시트와 결합되며, 이러한 방식으로 제조된 복합체로부터 상기 중간 부재(4)가 가공되는 것을 특징으로 하는 재료 복합체 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접, 레이저 용접 또는 전자빔 용접에 의하여, 상기 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 부품(2)은 상기 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 영역(5)과 결합되며, 상기 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 부품(3)은 상기 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 영역(6)과 결합되는 것을 특징으로 하는 재료 복합체 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 영역(5)은 강으로 형성되고, 상기 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 영역(6)은 구리계 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 재료 복합체 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 강은 적어도 그 영역들에서 오스테나이트 마이크로구조를 갖는 것을 특징으로 하는 재료 복합체 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 구리계 재료는 입자 경화되는 것을 특징으로 하는 재료 복합체 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 구리계 재료는 구리-크롬-지르코늄(Cu-Cr-Zr)인 것을 특징으로 하는 재료 복합체 제조 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중간 부재(4)는 관부로서 형성되고, 상기 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 부품(2)과 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 부품(3)은 관형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 재료 복합체 제조 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 재료 복합체(1)는 핵융합로의 제1벽 부재 또는 제1벽 부재의 부품으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 재료 복합체 제조 방법.
  12. 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 부품(2)과 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 부품(3)을 포함하는 재료 복합체(1)로서,
    상기 재료 복합체의 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 부품(2)과 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 부품(3)은 중간 부재(4)에 의하여 결합되고, 상기 중간 부재(4)는 접합부(7)를 형성하기 위해 폭발 용접에 의해 밀착되게 결합되는 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 영역(5)과 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 영역(6)을 포함하며,
    상기 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 부품(2)은 접합부(8)를 형성하기 위해 상기 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 영역(5)과 밀착되게 결합되고, 상기 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 부품(3)은 접합부(9)를 형성하기 위해 상기 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 영역(6)과 밀착되게 결합되며,
    상기 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 부품(2)과 강 또는 티타늄계 재료로 제조된 영역(5)은 동일 모재 금속을 포함하는 재료로 형성되고, 상기 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 부품(3)과 구리계 재료 또는 알루미늄계 재료로 제조된 영역(6)은 동일 모재 금속을 포함하는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 재료 복합체.
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