PVD-Be와 비정질 Zr-Be 합금을 용가재로 사용한 Zircaloy-4의 브레이징 접합부의 비교 연구

A Study on the Comparison of Brazed Joint of Zircaloy-4 with PVD-Be and Zr-Be Amorphous alloys as Filler Metals

중수로형 핵연료 제조공정 중 연료봉 피복관에 간격체와 지지체 등의 부착물이 브레이징으로 접합된다. 본 연구에서는 베릴륨을 물리 증착법(PVD)으로 접합될 부착물의 표면에 증착한 것과 비정질 용가재[$Zr_{1-x}Be_{x}(0.3{\le}x{\le}0.5)$]를 사용하여 브레이징된 접합부의 미세조직과 경도 등의 특성을 비교하고 브레이징 온도가 접합부에 미치는 영향 조사하였다. 비정질 용가재에 의한 접합층의 두께는 PVD-Be의 경우와 비교하여 더 얇았고, Be 함량이 감소할수록 접합층의 두께는 감소하였으며 모재의 침식은 거의 없었다. PVD-Be의 경우 공정 반응, 액상 출현, 모세관 현상과 확산으로 브레이징 되나 비정질 합금은 용가재 만이 용융되어 액상 접합되는 것으로 사료된다. PVD-Be 접합부의 미세조직은 계면에서 수지상이 형성되어 내부로 성장하나, 비정질 합금에 의한 접합부는 석출된 제2상들이 구상으로 구성되며 브레이징 온도가 증가할수록 구상은 더욱 커졌다. 비정질 합금 접합부의 경도는 Be 함량이 감소할수록 경도는 증가하였다. 본 연구에 사용된 비정질 합금 중 $Zr_{0.7}Be_{0.3}$ 합금은 접합부에서 Be의 모재로의 확산이 적어 부드러운 계면과 모재의 침식이 없었고 높은 경도 때문에 핵연료 피복재 접합에 가장 적합한 용가재로 사료된다.

Brazing is an important manufacturing process in the fabrication of Heavy Water Reactor fuel rods, in which bearing and spacer pads are joined to Zircaloy-4 cladding tubes. The physical vapor deposition(PVD) technique is currently used to deposit metallic Be on the surfaces of pads as a filler metal. Amorphous Zr-Be binary alloys which are manufactured by rapid solidification process are under developing to substitute the conventional PVD-Be coating. In the present study, brazed joint with PVD and amorphous alloys of $Zr_{1-x}Be_{x}(0.3{\le}x{\le}0.5)$ as filler metals are compared by mechanism, microstructure and hardness. The thickness of brazed joint with amorphous alloys became much smaller than that of PVD-Be. The erosion of base metal did not occur in the brazed joint with amorphous alloys. The brazing mechanism for PVD-Be seems to be Be diffusion into Zr-4 with capillary action resulting from eutectic reaction while that for amorphous alloys are associated with the liquid phase formation in the brazed joint. The brazed joint microstructure with PVD-Be consists of dendrite while that with amorphous alloys is globular. The $Zr_{0.7}Be_{0.3}$ alloy shows the smooth interface with little erosion in the base metal and is recommended a most suitable brazing filler metal for Zircaloy-4.