Evaluation of High-Temperature Tensile Property of Diffusion Bond of Austenitic Alloys for S-CO2Cycle Heat Exchangers

To improve the inherent safety of the sodium-cooled fast reactor (SFR), the supercritical CO2 (S-CO2) Brayton cycle is being considered as an alternative power conversion system to steam the Rankine cycle. In the S-CO2 system, a PCHE (printed circuit heat exchanger) is being considered. In this type of heat exchangers, diffusion bonding is used for joining the thin plates. In this study, the diffusion bonding characteristics of various austenitic alloys were evaluated. The tensile properties were measured at temperatures starting from the room temperature up to 650 o C. For the 316H and 347H types of stainless steel, the tensile ductility was well maintained up to 550 o C. However, the Incoloy 800HT showed lower strength and ductility at all temperatures. The microstructure near the bond line was examined to understand the reason for the loss of ductility at high temperatures. § 이 논문은 2014 년도 대한기계학회 재료 및 파괴부문 춘계 학술대회(2014. 4. 3.-4., 서귀포KAL호텔) 발표논문임 † Corresponding Author, chjang@kaist.ac.kr C 2014 The Korean Society of Mechanical Engineers 홍성훈 · 사인진 · 장창희 1422 되었다. 원자력분야의 경우 영국에서 다수의 Advanced Gas-cooled reactors(AGR)의 일차냉각재로 최대 650 C/4.2 MPa 의 CO2 를 장기간 사용한 경 험이 있다. 증기 싸이클에 비해 S-CO2 싸이클이 SFR 에 적 용되었을 때 얻는 장점으로는, 첫째, 냉각재 누츨 시 액체나트륨과의 폭발적인 반응의 가능성이 낮 고, 둘째, S-CO2 의 특성을 이용한 간소화된 시스 템 레이아웃 및 높은 효율을 구현할 수 있다는 점 들이다. S-CO2 싸이클이 SFR 에 적용되는 경우 중간 열 교환기는 구조재료의 단위 부피당 열전달 효율을 높이기 위해 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger) 혹은 PFHE(Plate Fin Heat Exchanger) 등 의 방식이 적용될 것으로 예상된다. PCHE 제작공 정은 먼저 판상형태의 금속의 한쪽 면을 광화학 에칭(photo chemical etching)시켜 반원 형태의 미소 채널(micro-channel) 을 만든 다음 여러 층의 판상 을 확산접합(diffusion bonding) 방법을 이용하여 붙 여 원하는 크기의 블록을 형성하게 된다. 따라서 확산 접합부의 성능이 PCHE 타입 열교환기의 건 전성 확보에 매우 중요하다. 따라서, 본 연구의 목 적은 S-CO2 싸이클의 중간 열 교환기 후보재료인 오스테나이트계 스테인리스강 및 Fe-Ni-Cr 합금의 확산 접합 특성을 평가하는 것이다. 이를 위해 다 양한 조건에서 확산접합부를 제작하고, 확산접합 부의 미세조직 분석, 상온 및 고온 인장 특성을 평가하였다. 마지막으로 미세조직과 인장특성과의 연관성을 분석하였다.