재료 시험, 야금 및 시스템 엔지니어링 분야에서 25년 이상의 경험을 축적한 MTS 과학자인 Erik Schwarzkopf는 고객 참여에 대한 고유한 전문 지식을 제공합니다. 이 Q&A에서 그는 여러 종류의 고온 재료 테스트에 내재된 문제와 절충점에 대해 설명합니다.
Q: 고온에서 재료 특성을 측정해야 하는 이유는 무엇입니까?
A: 초고효율 항공기, 자동차 및 발전 시스템의 설계자는 더 높은 강도 대 중량 비를 가진 재료와 더 긴 시간 동안 더 높은 작동 온도를 견딜 수 있는 재료가 필요합니다. 이런 재료를 사용하는 목표는 하나입니다. 연비를 높이려는 것입니다.
Q: 이런 종류의 테스트가 왜 그렇게 복잡합니까?
A: '고온'은 연구자마다 다른 의미를 가집니다. 일반적으로 강도 대 중량 비가 가장 높은 재료에서 세 가지 온도 범위를 고려해야 합니다. 첫 번째는 중합체 매트릭스 복합재 또는 PMC이며 200°C~500°C입니다. 두 번째는 800°C~1000°C의 금속입니다. 세 번째는 최대 1500°C에서 테스트되는 세라믹 매트릭스 복합재 또는 CMC입니다. 각 범위에는 테스트 엔지니어가 테스트를 효율적으로 실행하고 고온에서 재료 특성을 측정하고 고품질 결과를 얻기 위해 매우 신중하게 고려해야 하는 절충점이 있습니다.
Q: 테스트 데이터의 정확성에 영향을 미치는 절충점 유형은 무엇입니까?
A: 시편과 접촉하거나 시편 근처에 있어야 하는 물체를 다룰 때 문제가 발생합니다. 이러한 물체에는 그립, 신율계, 퍼니스, 챔버가 있습니다. 이러한 문제는 보통 시스템의 문제이므로 한 구성요소에서 문제를 해결하면 다른 구성요소에서 문제가 발생하는 경향이 있습니다.
Q: 테스트 설정 과정에서 이러한 상호 관련 문제가 어떻게 발생합니까?
A: 많은 문제가 시편에서 시작됩니다. PMC와 CMC 시편은 평평합니다. 이러한 시편은 원형, 나사산 또는 버튼 헤드 금속 시편과 같은 방식으로 잡을 수 없습니다. PMC의 경우 비용 효율적이고 사용하기 쉬운 유압 웨지 그립을 권장합니다. PMC 시편은 깨지기 쉬운 경우가 많은데 유압 웨지의 균일한 압력은 폴리머 매트릭스의 섬유를 보호하여 섬유가 분쇄되는 것을 방지하고 챔버와 웨지 헤드가 가열될 때 올바른 압력을 유지합니다. 이 그립은 상대적으로 크므로 더 큰 환경 챔버에서 사용하는 경우가 많습니다. 환경 챔버는 일반적으로 고온 테스트에 필요한 퍼니스보다 크지만 그립과 챔버의 열 질량 때문에 온도가 매우 안정적입니다.
Q: 챔버 내부에 더 큰 그립을 배치하면 어떻게 됩니까?
A: 챔버가 크면 테스트 엔지니어가 이런 응용 분야에서 통상적으로 사용하는 접촉식 신율계를 사용하기가 어렵습니다. 더 작은 챔버를 사용하면 감지 장비를 챔버 외부에 배치해 접촉식 암의 동작을 해석할 수 있습니다. 그러나 더 큰 챔버를 사용하면 팔이 너무 길어지기 때문에 챔버 외부의 움직임을 효과적으로 해석할 수 없습니다. 신율계는 챔버 내부에 있어야 하지만 온도가 높으면 민감한 전자 장치가 손상됩니다.
Q: 이 문제를 신율계로 어떻게 해결합니까?
A: 챔버 외부에 놓을 수 있는 비디오 신율계와 디지털 영상의 상관 관계를 사용하면 이 문제를 해결할 수 있습니다. 관측창이 있는 챔버를 사용하면 내부를 보고 동작을 실시간으로 측정할 수 있습니다. 그러나 이 방법에도 난관이 존재합니다. 카메라가 시편을 촬영하려면 챔버 내부에 광원이 필요합니다. 그리고 일정 온도에서는 시편에 비추는 조명(또는 흑체 복사)이 비디오 신율계의 대비와 정확도를 감소시킵니다. 당사는 청색 LED를 사용하여 챔버를 비추고, 광학 필터링을 사용하여 흑체 효과를 최소화하고, 색 대비를 개선하는 방법을 개발했습니다.
Q: 이 모든 문제를 감안할 때 애초에 원형 시편을 사용하지 않는 이유는 무엇입니까?
A: PMC와 CMC는 종종 평면 구조 구성요소로 설계됩니다. 금속을 사용하더라도 원형 시편을 만들기에 충분한 양의 재료를 얻는 것이 불가능한 경우가 많습니다. 특히 사용 중인 재료를 테스트하는 것이 목표인 경우에는 더욱 그렇습니다. 더 큰 부품, 특히 제트 엔진의 터빈 블레이드에서 작은 시편을 추출할 때도 있습니다. 가장 뜨거운 응용 온도를 가지고 있는 블레이드는 공기를 통과시키는 냉각 구멍이 있는 하나의 결정에서 시작됩니다. 이 복잡한 모양의 블레이드는 둥근 시편을 만들기에 부피가 충분하지 않습니다. 단결정의 수지상 간격이 시편 치수와 비슷하면 시편은 벌크 원형 시편과 매우 다르게 작동할 수 있습니다.
Q: 각 온도 범위에서 절충점이 동일합니까?
A: 전혀 그렇지 않습니다. 예를 들어 당사에서는 일반적으로 대부분의 고온 응용 분야에 MTS 고온 그립을 권장합니다. 그러나 CMC의 온도 범위는 1000°C를 초과하며 이러한 환경에서 그립은 힘을 잃기 시작합니다. 이상적으로는 챔버 내부와의 온도 차를 최소화하기 위해 그립을 가능한 한 뜨겁게 유지하되 그립 자체가 부드러워지기 시작할 정도로 뜨겁게 유지하지 않는 것이 좋습니다. 시편이 충분히 길다면 콜드 그립을 사용할 수 있습니다. 그러나 일부 시편을 둥글게 만들 수 없는 것과 마찬가지 이유로 일부 시편은 충분히 길게 만들 수 없습니다. 그리고 콜드 그립을 사용할 경우 챔버와의 온도 차가 더 커집니다. 즉 이러한 온도 차의 변화로 인해 더 많은 테스트를 실행해야 하므로 비용이 추가됩니다.
Q: 가장 뜨거운 온도 범위에서 시편을 잡는 솔루션은 무엇입니까?
A: 당사는 요구되는 온도 범위에 따라 두 가지 방법으로 냉각하는 그립을 개발했습니다. 둘 다 동일한 개념으로 작동하는데 이는 중앙 영역보다 상대적으로 덜 뜨거운 퍼니스 영역에 그립을 배치하는 것입니다. 중앙 영역이 1200°C라면 상단 및 하단 부분은 1000°C 근처입니다. 능동 냉각을 사용하면 그립이 덜 뜨거워 진 부분에 머무르면서 허용 가능한 온도 차로 시편을 제자리에 고정할 수 있습니다. 당사는 최대 1000°C에서 금속을 테스트하기 위해 적당히 냉각되는 그립을 개발했습니다. 최대 1500°C에서 CMC를 테스트하기 위해 강력하게 냉각되는 그립도 있습니다.
Q: 테스트 전체를 이해하는 솔루션 공급업체와 협력하는 것이 중요한 이유는 무엇입니까?
A: 이러한 유형의 테스트에서 사용할 수 있는 상용 기성 솔루션이 거의 없기 때문에 이는 중요합니다. 많은 실험실에서 여러 공급업체의 구성요소를 조합하여 이러한 솔루션을 사내에서 구축하려고 합니다. 문제는 절충점이 너무 얽혀있다는 것입니다. 신율계 전문가는 관측창이나 챔버 내부를 통해 제품을 제공하는 방법을 이해하지 못할 수 있습니다. 그립 전문가는 콜드 그립을 사용할 수 있지만 온도 차가 너무 커서 테스트 결과에 의문을 제기합니다. MTS는 전체 솔루션을 통합할 수 있습니다. 시스템 통합 전문 지식을 통해 가변성을 줄이고 더 적은 수의 테스트를 실행하여 정확한 결과를 얻을 수 있기 때문에 혁신적인 고온 테스트에서 이는 매우 중요합니다.
