최근 국제사회는 기후변화 위기를 극복하기 위하여, 지구온난화의 주요 원인으로 인식되는 석탄, 석유 등 화석연료에 대한 의존도를 낮추고 청정에너지의 사용을 점차 확대하는 추세이다. 그러나 아직까지 기존 발전시스템에 대한 의존도가 큰 것도 사실이므로 에너지 패러다임 전환과 더불어 시스템의 효율을 높여 에너지 소비를 줄이고 CO2 배출을 저감시키는 노력을 병행할 필요가 있다. 이와 관련하여 선진국을 중심으로 700℃ 이상, 35 MPa의 고온 및 고압의 주증기를 사용하는 A-USC(Advanced Ultra Super Critical) 발전에 대한 많은 연구가 진행되어 왔으며, 높은 고온 강도와 부식 저항성, 장기 구조적 안정성 등을 갖는 고온 재료의 개발에 집중하였다. 이에 따라, 발전시스템에 필요한 합금이 600℃ 이하에서 사용되던 기존 철계 합금 (Ferritic steels, Austenite stainlesssteel) 및 대부분의 고용강화형 합금에서 700℃ 이상에서 작동할 수 있는 Ni계 초내열합금으로 변경되었다. IN740 합금은 고온에서 파괴 강도 및 내식성을 향상시키기 위해 제안되었으며, A-USC 발전에 적합한 후보재료로 인식되었다. 그러나 700℃ 이상에서의 안정상에 대한 선행 연구에서 sigma(σ), Eta(η), G상과 같은 TCP상이 형성되는 것으로 나타났다. 또한, 석출 강화형 Ni기 초내열합금에서 강화상인 γ'의 소모와 함께 η상이 형성되기 때문에 γ' 무석출영역 (PFZs)이 형성되고 강도 감소를 야기할 가능성이 제기되었다. LESS 합금(Low Eta Sigma Superalloy)은 IN740 합금에서 구성 원소의 첨가량을 조정하여 TCP상이 형성되지 않도록 설계되었다. 그 결과, LESS 합금은 최적 조성으로 인해 IN740 합금에 비해 높은 상안정성을 나타내었다. IN740 합금은 결정립계에 σ상 및 침상의 η상이 형성되고 PFZs가 관찰되는 반면, LESS 합금에서는 이러한 결함이 완전히 제어되었다. 한편, 새롭게 개발된 석출경화형 Ni기 초내열합금인 LESS 합금의 기계적 특성을 조사하고 변형 거동을 이해하기 위해 IN740H 합금과 비교하여 상온에서 800℃까지 인장시험을 실시하였다. 다른 Ni기 초내열합금과 마찬가지로 LESS 합금의 인장 특성이 온도에 의존하는 것으로 나타났다. LESS 합금의 인장강도(UTS)는 상온과 700℃ 사이에서는 급격한 저하 없이 유지되다가 700℃ 이후 급격히 감소하는 경향을 나타내었다. 또한, 항복강도(YS)는 상온에서 700℃까지 IN740H 합금보다 약 40% 높은 것으로 나타났다. 미세조직 관찰결과, γ' 차이는 거의 없지만 결정립계에 석출된 탄화물이 분포의 연속성 측면에서 차이를 보였다. LESS 합금의 높은 항복강도는 미세한 탄화물(MC, M23C6)과 γ'상이 연속적인 필름 구조를 형성하는 치밀한 입계가 전위이동의 장벽으로 효과적으로 작용하는 것에 기인하는 것으로 판단되었다. 따라서 석출경화형 초내열합금에서 일반적으로 항복강도가 분율, 크기 등 강화상의 특성에 의해 결정되는 것으로 알려져 있지만, 결정립계에 탄화물이 형성될 경우는 항복강도에 영향을 미치는 필수 요인으로서 결정립계의 형태와 탄화물의 분포를 함께 고려할 필요가 있다. 아울러, LESS 합금은 700∼800℃ 부근 온도에서 변형모드의 천이 현상 (γ'-shearing → γ'-shearing + climb)이 나타났고, 700℃ 이후 급격한 인장강도 감소와 잘 일치하였다. 또한 LESS 합금의 주요 파괴 모드는 연성 딤플 파괴였으나, 미세 트윈에 의한 국부적인 취성파괴 영역의 영향으로 온도가 상승함에 따라 연신율이 감소하는 것으로 나타났다.
Recently, to overcome the climate change crisis, the international community has tended to reduce dependence on fossil fuels, recognized as significant causes of global warming, and gradually expand the use of clean energy. However, it is also true that the dependence on the existing power generation system is still high. Therefore, it is necessary to make parallel efforts to reduce energy consumption and CO2 emissions by increasing the system's efficiency. In this regard, A-USC (Advanced Ultra Super Critical) power generation has been developed to use high temperature and high-pressure steam of over 700℃ and 35 MPa. In particular, many researchers are focusing on developing materials that can ensure the required properties, such as high strength, corrosion resistance, and long-term structural stability under operating conditions. Accordingly, the alloys required for power plants are altered from iron-based alloys and solid solution-strengthened alloys that have been used below 600℃ to Ni based superalloys that can operate over 700℃ for A-USC steam turbines. The IN740 alloy was proposed for improved rupture strength and corrosion resistance at high temperatures and was recognized as a suitable candidate material for A-USC power generation. However, previous studies on the stable phases at over 700℃ have indicated the formation of TCP phases such as sigma(σ), Eta(η), and G. In addition, it is known that the formation of η, with the consumption of the strengthening phase, γ', can result in forming of precipitation free zones (PFZs) and decreasing strength. LESS alloy (Low Eta Sigma Superalloy) was designed by adjusting the content of constituent elements of the IN740 alloy. The LESS alloy showed high phase stability compared to the IN740 alloy due to the optimum composition. The η phase and PFZs were observed at the grain boundary in IN740, whereas these defects were wholly controlled in LESS alloy. Meanwhile, to investigate the mechanical properties of the developed wrought γ’-hardened Ni based superalloy, LESS alloy, and to understand the deformation behavior, tensile tests were carried out from room temperature to 800℃ in comparison with IN740H alloy. The tensile properties of the LESS alloy were found to be dependent on temperature. The tensile strength (UTS) was maintained without a significant decrease between room temperature and 700℃ and showed a tendency to decrease rapidly after 700℃. The yield strength (YS) of the LESS alloy was found to be about 40% higher than that of IN740H alloy from room temperature to 700℃. Based on microstructure observations, there was little γ′ difference, but the morphology of the carbide precipitated at the grain boundary was significantly different in terms of distribution continuity. The high yield strength of the LESS alloy is thought to result from the dense grain boundary, where the fine carbides (MC, M23C6) and the γ’ phase form a continuous film structure, which more effectively suppresses dislocation movements during deformation. Therefore, In general, it is recognized that the yield strength is determined by the strengthening phase's characteristics, such as fraction, size, Etc, in the precipitation hardened superalloy. However, it is necessary to consider the grain boundary morphology and carbide distribution as essential factors affecting the yield strength when carbides are formed at the grain boundary. Furthermore, the transition of deformation mode occurred (γ'-Shearing → γ'-Shearing + Climb) at around 700∼800℃ due to the thermal activation. Accordingly, the tensile strength was maintained at around 700℃ but decreased rapidly at a temperature above that. In addition, LESS alloys' primary fracture mode is a ductile transgranular fracture, where dimples appear in most areas of the fracture surface. However, it was found that the elongation gradually decreases with temperature because of the influence of local brittle fracture areas due to the micro twins.