[논문]알루미나 세라믹에 대한 열충격 손상의 비파괴적 평가

이준현; 이진경; 송상헌

doi:10.22634/ksme-a.2001.25.8.1189

문제 정의

따라서 본 연구에서는 음향방출(AE) 기법을 이용하여 알루미나 세라믹의 열충격시 발생하는 AE 신호를 연속적으로 온라인 모니터링 하여 반복적인 열충격에 따라 발생하는 AE 신호 특성을 분석하고 세라믹 재료의 손상정도, 강도저하 및 탄성계수(Youngs modulus)의 변화와 비교 검토하였다.
본 연구에서는 반복적인 열충격 사이클을 받은 알루미나 세라믹 시험편에 대한 잔류 강도 변화를 평가하기 위하여 열충격 손상을 받은 시험편들에 인공 노치를 가한 후 3점 굽힘 시험을 실시하여 굽힘 파단 강도 σ_f를 측정하였다. 그리고 각 시험편에 대한 굽힘 파단 강도 σ_f는 각각의 시험편에 대한 파단 하중 P_f를 측정하여 식 (1)을 이용하여 계산하였다.
본 연구에서는 반복적인 열충격을 받는 알루미나 세라믹의 균열 발생 및 성장 거동을 관찰하기 위하여 1회의 열충격에도 표면에 미소균열이 발생하는 온도차인 △T=573K의 온도하에서 실험을 실시하였다. Fig.
본 연구에서는 반복적인 열충격하에서 시험편의 열충격 손상 정도를 온라인 모니터링 하기 위하여 AE 기법을 이용하여 Fig. 3에서 보여주는 바와 같이 실험을 실시하였다. Fig.
본 연구에서는 열충격을 받은 알루미나 세라믹 시험편의 열충격 사이클의 변화에 따라 시험편 내부에 발생하는 피로손상을 평가하기 위하여 탄성계수의 변화를 관찰하였다. 이를 위하여 초음파를 이용⁽¹¹⁾하여 시험편의 종파속도와 횡파 속도를 측정하였으며 밀도측정기를 이용하여 시험편의 밀도를 측정하였다.

제안 방법

한편 세라믹 시험편이 물 속으로 투하될 때 열충격에 의한 시험편의 손상정도를 온라인 상태에서 연속적으로 모니터링하기 위하여 그림에서 보여주는 바와 같이 물탱크 표면에 광대역 AE센서 (100~1200㎑)를 부착하여 균열이 생성될 때 발생하는 탄성파를 감지하였다. 감지된 AE 신호는 프리앰프에서 40dB 증폭되어 AE 본체로 송신되어 AE 에너지, 지속시간 및 AE 진폭 등의 AE 파라미터를 분석하였다. 또한 디지털 오실로스코프(Lecroy 9310A)를 이용하여 발생한 AE 신호의 파형을 분석하였다.
액체침투탐상법은 먼저 시험편 표면을 깨끗이 하고 염색침투액을 사용하여 시험편 표면에 침투액을 침투시킨 후 세척액으로 과잉 침투액을 제거하였다. 그리고 백색 현상액을 사용하여 미소균열을 측정하였으며 이 방법에 의한 시험편 표면의 미소길이의 측정한계는 1㎜ 이다. 한편 세라믹 시험편이 물 속으로 투하될 때 열충격에 의한 시험편의 손상정도를 온라인 상태에서 연속적으로 모니터링하기 위하여 그림에서 보여주는 바와 같이 물탱크 표면에 광대역 AE센서 (100~1200㎑)를 부착하여 균열이 생성될 때 발생하는 탄성파를 감지하였다.
그림에서 보여주는 바와 같이 먼저 전기로 속에서 20분간 시험편을 가열하고 가열된 시험편을 전기로 아래에 있는 상온의 냉각수 속에 투하하여 90초동안 충분히 냉각시키는 방법으로 1회의 열충격에도 시험편 표면에 균열이 발생하는 573K의 온도차로 반복적으로 열충격을 가하였으며 이때 발생된 균열은 액체침투탐상법⁽¹⁰⁾을 이용하여 미소 표면 균열의 길이변화 및 단위 면적당의 미소 표면 균열수로 정의되는 분포밀도를 평가하였다. 액체침투탐상법은 먼저 시험편 표면을 깨끗이 하고 염색침투액을 사용하여 시험편 표면에 침투액을 침투시킨 후 세척액으로 과잉 침투액을 제거하였다.
황파속도를 나타낸다. 따라서 초음파 종파, 횡파 속도와 밀도변화 결과로부터 탄성계수값을 평가하였다. Fig.
감지된 AE 신호는 프리앰프에서 40dB 증폭되어 AE 본체로 송신되어 AE 에너지, 지속시간 및 AE 진폭 등의 AE 파라미터를 분석하였다. 또한 디지털 오실로스코프(Lecroy 9310A)를 이용하여 발생한 AE 신호의 파형을 분석하였다. 그리고 주위의 잡음을 제거하기 위하여 문턱전압값(threshold level)은 18.
2는 열충격 피로 시험시에 발생되는 재료의 균열 성장거동 및 피로손상을 용이하게 관찰하기 위한 판재 시험편의 형상 및 규격이다. 또한 반복적인 열충격 피로손상을 입은 알루미나 세라믹의 기계적 특성을 조사하기 위하여 다이아몬드 휠을 이용하여 시험편 중앙에 폭 0.3㎜, 길이 5㎜ 크기의 노치를 도입하여 3점 굽힘시험(three point bending test)을 실시하였다.
본 연구에서는 반복적인 열충격을 받는 알루미나 세라믹의 손상거동 및 균열발생을 평가하기 위하여 Fig. 3과 같이 열충격 시험기를 제작하고 음향방출기법을 이용하여 실험을 실시 하였다.
변화를 관찰하였다. 이를 위하여 초음파를 이용⁽¹¹⁾하여 시험편의 종파속도와 횡파 속도를 측정하였으며 밀도측정기를 이용하여 시험편의 밀도를 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 재료는 경도, 전기저항 및 전기 절연성이 우수하여 전자 기판으로 폭넓게 사용되고 있는 알루미나(AI₂O₃) 세라믹을 사용하였다. Table 1은 알루미나 세라믹의 물리적 특성을 나타낸 것이다.
알루미나 세라믹은 알루미나 분말(AL-160-SG-1)을 열간 등가압 성형(hot isostatic pressing)으로 제작하였다. 성형조건은 Fig.

성능/효과

(1) 온도차가 573K인 경우의 알루미나 세라믹이 반복적인 열충격을 받을 때 초기 1회의 열충격에 다수의 미소균열이 발생하며 열충격 사이클이 증가하여도 균열밀도의 증가보다는 발생한 균열들이 서로 합체되어 거시적 균열로 성장하였다.
(2) 초기 1회의 열충격을 받은 시험편의 굽힘 파단 강도는 열충격을 받지 않은 시험편에 비하여 현저히 감소하고 열충격 사이클이 증가할수록점차적으로 감소하였으며 탄성계수 또한 점차적으로 감소하는 경향을 나타내었다.
(3) 시험편 표면의 균열생성에 의해 발생하는 AE 신호는 끓음 효과에 의해 발생하는 신호에 비하여 현저히 높은 80dB 이상의 고진폭을 나타내며 열충격 사이클이 증가함에 따라 균열 발생보다는 끓음 효과 및 균열진전에 의한 AE 신호가 발생하고 그 때의 AE 신호는 80dB 이하의 진폭을 나타내었다. 또한 미소균열에 의해 발생한 AE 신호의 주파수 대역은 250~400㎑ 정도로 끓음 효과에 의해 발생하는 신호에 비하여 고주파수 대역을 나타내었다.
3에서 보여주는 바와 같이 실험을 실시하였다. Fig. 7에서는 열충격 사이클이 증가함에 따라 발생하는 AE 사상수의 관계를 나타낸 것으로 실험결과에서 보여주는 바와 같이 초기 1 사이클의 열충격에서는 AE 사상수가 500개 이상 발생하였으며 열충격 사이클이 증가함에 따라 AE 사상수는 급격히 감소함을 보였다. 그리고 사이클 수가 3회 이상 증가함에 따라 AE 사상수의 감소현상은 현저히 둔화되었다.
7에서는 열충격 사이클이 증가함에 따라 발생하는 AE 사상수의 관계를 나타낸 것으로 실험결과에서 보여주는 바와 같이 초기 1 사이클의 열충격에서는 AE 사상수가 500개 이상 발생하였으며 열충격 사이클이 증가함에 따라 AE 사상수는 급격히 감소함을 보였다. 그리고 사이클 수가 3회 이상 증가함에 따라 AE 사상수의 감소현상은 현저히 둔화되었다. 이와 같이 열충격 사이클의 증가에 따른 다수의 AE 사상수는 시험편이 물 속으로 투하되면서 발생하는 끓음 효과에 의한 AE 신호와 시험편에 균열이 발생, 성장하면서 발생한 AE 신호들이다.
4는 열충격 사이클의 증가에 따라 시험편 표면에 발생, 성장하는 미소균열의 거동을 액체침투탐상법을 이용하여 관찰한 결과를 나타낸 것으로 실험결과에서 보여주는 바와 같이 1회의 열충격에 의해 시험편 표면에는 약 70여 개의 미소균열이 발생하였다. 그리고 열충격 사이클이 증가함에 따라 균열수의 변화는 거의 발생하지 않고 처음에 발생한 다수의 미소균열이 합체(link-up)되어 거시적 균열로 성장함에 따라 최종파괴에 도달하였다.
그러나 3회이상 열충격 사이클이 증가함에 따라 80dB 이상의 고진폭을 갖는 신호는 거의 발생하지 않았다. 따라서 Fig. 4의 시험편 표면 균열 관찰에서도 알 수 있는 바와 같이 초기 1회의 열충격에서 시험 편에 다수의 미소균열이 발생할 때 발생하는 AE 신호는 80dB 이상의 고진폭의 신호가 발생한다는 것을 것을 알 수 있으며 특히 3회 이상으로 열충격 사이클이 증가함에 따라 고진폭의 신호는 발생하지 않았으며 더 이상 열충격 사이클이 증가하더라도 새로운 균열은 거의 발생하지 않는다는 것을 말해준다. 이러한 결과는 액체 침투탐상법에 의해 균열밀도를 측정한 것과 매우 잘 일치하는 것으로 나타났다.
미소균열수가 증가하지 않음에도 불구하고 굽힘 파단 강도의 저하는 세라믹 시험편 내부에 표면에서 관찰되지 않은 1㎜ 이하의 다수의 미소균열의 발생과 더불어 발생한 미소균열들이 서로 합체됨에 따라 굽힘강도가 점차적으로감소하는 경향을 나타내었다. 따라서 세라믹 시험편인 경우 취성이 강한 재료이기 때문에 시험편 내에 소수의 미소균열이 발생할 경우일지라도 굽힘강도가 급격히 감소하지만 발생한 균열들이 합체되어 거시적 균열로 성장할 때에는 비교적 굽힘강도의 변화가 현저하지 않음을 알 수 있었다.
이러한 결과는 1회의 열충격에 의해 시험편에 다수의 미소균열들이 발생함에 따라 굽힘강도가 현저히 감소하였으며 열충격 사이클이 점차적으로 증가함에 따라 잔류강도도 점차적으로 감소하는 경향을 보여주고 있다. 미소균열수가 증가하지 않음에도 불구하고 굽힘 파단 강도의 저하는 세라믹 시험편 내부에 표면에서 관찰되지 않은 1㎜ 이하의 다수의 미소균열의 발생과 더불어 발생한 미소균열들이 서로 합체됨에 따라 굽힘강도가 점차적으로감소하는 경향을 나타내었다. 따라서 세라믹 시험편인 경우 취성이 강한 재료이기 때문에 시험편 내에 소수의 미소균열이 발생할 경우일지라도 굽힘강도가 급격히 감소하지만 발생한 균열들이 합체되어 거시적 균열로 성장할 때에는 비교적 굽힘강도의 변화가 현저하지 않음을 알 수 있었다.
4의 시험편 표면 균열 관찰에서도 알 수 있는 바와 같이 초기 1회의 열충격에서 시험 편에 다수의 미소균열이 발생할 때 발생하는 AE 신호는 80dB 이상의 고진폭의 신호가 발생한다는 것을 것을 알 수 있으며 특히 3회 이상으로 열충격 사이클이 증가함에 따라 고진폭의 신호는 발생하지 않았으며 더 이상 열충격 사이클이 증가하더라도 새로운 균열은 거의 발생하지 않는다는 것을 말해준다. 이러한 결과는 액체 침투탐상법에 의해 균열밀도를 측정한 것과 매우 잘 일치하는 것으로 나타났다. 특히 균열이 발생할 때의 AE 신호는 균열이 성장할 때의 AE 신호와는 AE 진폭 변화에서 큰 차이를 나타내었다.
특히 균열이 발생할 때의 AE 신호는 균열이 성장할 때의 AE 신호와는 AE 진폭 변화에서 큰 차이를 나타내었다. 이와 같은 실험 결과로부터 AE 기법을 이용하여 알루미나 세라믹의 굽힘 강도 및 탄성계수와 같은 기계적 특성을 평가하기 위하여 발생한 AE 신호의 진폭 및 사상수를 분석함으로써 세라믹의 굽힘 강도가 급격히 저하되는 미소균열의 발생 시점을 연속적으로 온라인 모니터링 할 수 있다. Fig.
것과 밀접한 관계가 있다. 즉 초기 1회의 열충격 사이클에서 시험편은 끓음 현상에 의한 AE 신호뿐만 아니라 다수의 미소균열이 발생하면서 다수의 AE 사상수가 발생하지만 열충격 사이클이 증가함에 따라 미소균열의 발생보다는 발생한 미소균열의 합체와 끓음 현상에 의해 AE 사상수가 발생하였다는 것을 알 수 있다.
한편 초음파 종파속도 및 횡파속도 변화 특성은 열충격 사이클의 증가에 따라 종파속도의 경우 속도변화는 거의 관찰되지 않는데 비하여 횡파 속도의 경우 열충격 사이클이 증가함에 따라 점차적으로 감소하는 경향을 보여주었다. 이는 열충격 사이클의 증가에 따라 발생하는 미소 표면 균열의 대부분이 두께 방향의 종방향 균열이기 때문에 초음파 입자진동방향이 종방향 균열과 평행한 종파속도 변화보다는 입자의 균열에 수직으로 작용하는 횡파 속도변화가 직접적으로 민감하게 영향을 받기 때문이다.

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