고에너지 전자빔하에서 하이엔트로피 합금의 조사 저항성 고찰

Abstract

하이엔트로피 합금은 5개 이상의 합금 원소가 유사한 비율로합금화되어 원자 단위 응력을 갖는 고용체를 형성한다. 이로 인해, 전자빔 조사에 의해 형성된 점결함을 불안정하게 하며 상대적으로 고용체 구조를 안정하게 한다.[1] 현재까지 하이엔트로피합금의 전자빔 조사에 대한 연구는 주조재 보다는 박막 증착시편에 제한되었는데 이는 하이엔트로피 합금의 원자력 재료로서의 응용 가능성을 판단하기 어렵게 한다. 본 연구에서는 하이엔트로피 합금의 결함 거동 및 전자빔 조사 저항성을 고찰하기위하여 CrFeCoNi/Cu 하이엔트로피 합금을 선택하였으며 본 합금은 다성분계임에도 불구하고 단순한 FCC 구조를 가진다. 또한, 미세 구조적으로 Cr-Fe-Co-Ni이 유사한 원자 비율로 구성되어 있는 하이엔트로피 고용체 (dendrite) 영역과 Cu-rich(interdendrite) 영역으로 이루어져 있는 하이엔트로피상/일반 다성분계상 복합재이다. Arc melting과 suction casting을 이용하173여 주조한 판상 시편을 dual beam FIB-EBSD 를 이용하여정대축을 갖는 TEM 시편을 제조하였다. 전자빔 조사 실험은한국기초과학지원연구원(KBSI) 에 있는 1.25 MeV 초고전압투과전자현미경을 이용하여 진행하였으며 전자빔의 조사량은 CCD카메라를 통하여 얻은 강도와 배율에 따른 pixel 의 크기를 고려하여 추정[2]한 결과 1.796 × 103 e-/A·sec 였다. 조사 전후의 미세구조를 분석하기 위해 투과전자현미경 (FEI; Titan S@ 300 kV, Tecnai F20 @ 200 kV)을 이용하였다. 전자빔조사 후 CrFeCoNi/Cu 하이엔트로피 합금에서 하이엔트로피 고용체 영역에서는 stacking fault 가 형성되었으며 Cu-rich 영역에는 stacking fault tetrahedral 가 형성됨을 관찰하였다. 일반적으로 stacking fault는 stacking fault tetrahedra보다 상대적으로 더 낮은 조사량에서 형성될 수 있으며 stacking faulttetrahedra는 vacancy cluster 형성을 기반으로 나타나므로stacking fault가 형성되는 하이엔트로피 고용체 영역이 전자빔조사에 더 우수한 것으로 생각된다. 본 연구에서는 전자빔 조사에 따른 결함의 크기 변화를 분석함으로써 전자빔 조사에 의한vacancy cluster 형성 정도를 정량적으로 비교하고자 하였다.조사 시간에 따른 각 상의 결함의 이동 속도 및 형성·소멸 속도를 비교 분석하였으며 이를 통해 하이엔트로피 합금의 결함거동 및 전자빔 조사 저항성을 속도론적 관점에서 고찰하였다.그 결과 하이엔트로피 고용체 영역에서 상대적으로 느린 결함이동 속도를 갖는 것을 확인하였다.