Christoph Leser 박사는 30여 년 동안 연구자, 테스트 엔지니어, 응용 엔지니어, 테스트 컨설턴트 등으로 일했으며, 현재는 ASTM 하위 위원회의 의장을 맡고 있습니다. 이 Q&A에서는 Leser 박사가 열기계 피로(TMF) 테스트에서 일관된 결과를 얻는 방법에 관해 설명합니다.
Q: TMF 테스트에 대한 관심이 높아지는 이유가 무엇인가요?
A: 오늘날의 재료 R&D에서 가장 관심이 높은 두 가지는 항공우주와 발전 분야에서 사용하는 터빈과 관련이 있습니다. 이러한 터빈 설계자들은 예전에 기대했던 것 이상의 운영 효율성과 안정성을 추구하고 있습니다. 이를 실현하기 위해서는 다양한 반복 부하 조건에서 고온에 더 오래 버티는 터빈 구성요소와 구조물이 필요합니다. 후보 재료에는 혁신적인 초합금, 세라믹 매트릭스 복합재, 세라믹 코팅 등이 포함됩니다. 이러한 재료가 부하와 온도의 변화에 어떻게 반응하는지 이해하게 되면 R&D 프로세스에 TMF가 필수 요소라는 사실을 깨닫게 됩니다.
Q: TMF 테스트의 역학과 목표에 관해 설명해 주실 수 있나요?
A: TMF 테스트는 일종의 피로 테스트로, 설계된 구성요소가 사용되는 조건을 최대한 실제에 가깝게 시뮬레이션합니다. 특히 TMF 테스트는 반복적인 기계 하중과 계속 변화하는 온도에서 재료가 보이는 반응의 특성을 파악하여 등온 피로 테스트로는 예측하기 어려운 상승 반응을 재현합니다. TMF 테스트를 통해 생성된 데이터는 구성요소의 특성을 모델링하고 제어된 테스트 환경에서 기존 모델을 검증하는 데 도움을 줍니다.
Q: TMF 테스트만의 고유한 문제에는 무엇이 있나요?
A: TMF는 위상 내외에서 기계 하중과 열 하중을 반복적으로 적용해야 하므로 수행하기 어려울 수 있습니다. 온도에 의해 발생하거나 기계적으로 발생하는 변형률 간의 위상 변위는 재료 특성과 관련하여 다양한 해석이 가능합니다. 그리고 테스트에 복사열 또는 유도열을 적용하려면 냉각 수단이 필요합니다. 테스트 장비와 고정 장치는 반드시 고온을 견딜 수 있어야 합니다. 고정밀 시스템은 초고온에서 평소와는 다른 특성을 보이므로, 정확한 데이터를 얻기가 어렵습니다. 테스트에 사용되는 재료의 유형은 각 테스트 설정에 영향을 줍니다. 그리고 측정 기기, 가열 방법, 냉각 방법, 고정 방법에는 다양한 옵션이 있습니다. 이러한 모든 이유 때문에 TMF 테스트는 맞춤 설정되며, 매우 복잡한 경향이 있습니다.
Q: 이러한 복잡성을 고려했을 때 연구자들은 테스트 간, 연구실 간의 일관성을 어떻게 보장하나요?
A: ISO 12111과 ASTM E2368 같은 테스트 표준에는 열 부하와 기계적 부하가 동시에 적용될 경우 테스트 재료의 특성을 결정하는 방법에 대한 모범 사례가 나와 있습니다. 국제 파트너 컨소시엄에서 만든 변형률 제어 열기계 피로 테스트를 위한 유럽 인증 규약 역시 테스트 일관성을 보장하기 위해 참조할 수 있는 유용한 리소스입니다. 앞에서 언급했듯이, TMF의 가장 큰 문제는 총 변형률에 열 및 기계적 요소가 포함되어 있기 때문에 이러한 요소를 정밀하게 적용해야 한다는 점입니다. 이러한 이유로 유럽 인증 규약에서는 위상 변위 명령을 다음과 같은 두 가지 범위로 좁힙니다. 바로, 위상 내(최대 온도에서 최대 변형률) 사이클과 위상 외(최소 온도에서 최대 변형률) 사이클입니다. 이 규약은 또한 보정부터 데이터 보고까지 테스트 전반을 수행하는 데 필요한 모든 단계를 아우르고 있습니다.
Q: 유럽 인증 규약 요건을 준수하는지 어떻게 확인할 수 있나요?
A: 첨단 소프트웨어 솔루션을 사용해 이 규약을 준수하고 TMF 테스트의 복잡성에 대처할 수 있습니다. MTS에서는 ASTM과 ISO 표준부터 변형률 제어 열기계 피로 테스트를 위한 유럽 인증 규약까지 다양한 항목을 테스트할 수 있는 MTS TestSuite™ 다목적 소프트웨어의 TMF 템플릿을 제공합니다. 이 템플릿은 매우 높은 투명성을 자랑하며, 내부 알고리즘과 계산식에 대한 완전한 통찰력을 제공합니다. 따라서 템플릿을 사용해 표준을 다양한 방식으로 해석하고 템플릿을 변경하여 새로운 통찰력을 얻을 수도 있습니다. 이러한 유연성 덕분에 다양한 재료와 시편 모양을 가지고 수많은 TMF 테스트를 수행할 수 있습니다.
Q: 템플릿과 소프트웨어의 어떤 기능이 TMF 테스트에 특히 적합하나요?
A: 명령 패널의 버튼을 누르면 규약의 각 작업이 템플릿에 표현됩니다. 그리고 각 버튼은 사용자가 변경할 수 있는 프로그램 블록을 이용해 정의할 수 있습니다. 기본적으로 보이는 모든 사항을 변경할 수 있습니다. 이러한 유연성은 테스트 계산과 워크플로는 물론 테스트가 진행되는 동안 데이터의 시각적 표시에도 적용됩니다. 이를 바탕으로 무한에 가까운 뷰와 사용자 구성을 이용할 수 있습니다. 테스트 결과에도 마찬가지로 적용됩니다. 따라서 데이터를 내보내고 요구사항에 가장 적합한 형식으로 결과를 표현할 수 있습니다.
Q: TMF 테스트에서 떠오르는 새로운 관심사는 무엇인가요?
A: 테스트 분야에서 가장 큰 화두 중 하나는 모델링 통합입니다. MTS는 당사 파트너와 함께 가열 기능을 더욱 정확하게 예측하는 솔루션을 개발했습니다. 이 새로운 솔루션을 사용하면 시편과 코일, 그립을 모델링하여 하드웨어를 구축하기 전에 시편 온도가 어떤 값과 비율, 분포를 나타낼지 파악할 수 있습니다.
