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문제 정의
- 본 연구에서는 폭발용사법으로 제작된 Duplex TBC와 FGM TBC 재료에 대한 접착층간의 계면 인성을 평가하기 위하여 비커스 미소 경도시험과 계면 압자압입시험을 수행하였다. 경도시험을 통해서는 이종재료 적층구조의 경도분포 경향을 조사하였고, 압자압입시험에서는 임 계하중을 결정한 후, Chicot의 실험식을 이용하여 계면 인성을 구하였다.
가설 설정
- 층간의 박리현상은 재료의 건전성 에 심 각한 문제를 야기시키고, 금속/세라믹의 복합구조를 조기에 파괴시킬 수 있다.。) 더구나 금속/세라믹 적층 복합구조는 층을 구성하고 있다. 이같은 계면에서는 기계적.
제안 방법
- 압자압입시험을 수행하였다. 경도시험을 통해서는 이종재료 적층구조의 경도분포 경향을 조사하였고, 압자압입시험에서는 임 계하중을 결정한 후, Chicot의 실험식을 이용하여 계면 인성을 구하였다. 이와 같은 실험결과를 요약하면 다음과 같다.
- 경사층내의 세라믹/금속 함유량에 따른 임계 하중과 계면인성을 알아보기 위하여, FGM1 과 FGM2 시험편에 대하여 PSZ가 0%, 22.7/30.6%, 46.9/63.8%, 72.6/77.9%인 곳에서 압자압입시험을 수행하였다.
- 계면의 접합특성을 조사하고자 계면에서 균열이 발생하고 증식되도록 압입압자가 코팅 두께 면에 수직하게 작용하였으며 Fig. 2와 같이 다이아몬드 원뿔 형태의 비커스(Vickers) 압자를 사용하였다. 이때 균열 반지름(a)은 화상분석기를 사용하여 측정하였다.
- 첫 번째의 Duplex 시험편은 NiCrAlY bond coat증이 약 50/如, PSZ 코팅층이 약 100例 정도로 제작되었다. 두 번째 시편은 FGM으로서 NiCrAlY bond coat충(약 50例) 위에 PSZ 함유량을 각각 22.7, 30.6, 46.9, 63.8, 72.6, 77.9vol%로 NiCrAlY와 혼합해 변화시킨 단계별 경사화 코팅충을 차례로 약 90-110/® 정도씩 적층하고 탑코트(top coat)로서 PSZ 100% 코팅층을 약 100-150;血 정도 적층하여 제작하였다. 세 번째 시편은 두 번째 시편과 동일한 방법으로 제작하였으나 PSZ 코팅층을 제외한 모든 코팅층의 두께를 2배로 제작하였다.
- 구하였다. 먼저 세라믹 100%충과 이웃한 충의 계면에서 겉보기 계면인성값을 구하였다. 취성과연성재료가 혼재된 계면에서 인성값을 평가할 수 있었으며, 더구나 본 연구의 시험편처럼 두께가 얇은 재료에서 측정이 가능하였다.
- 9vol%로 NiCrAlY와 혼합해 변화시킨 단계별 경사화 코팅충을 차례로 약 90-110/® 정도씩 적층하고 탑코트(top coat)로서 PSZ 100% 코팅층을 약 100-150;血 정도 적층하여 제작하였다. 세 번째 시편은 두 번째 시편과 동일한 방법으로 제작하였으나 PSZ 코팅층을 제외한 모든 코팅층의 두께를 2배로 제작하였다. Table 1에 시험편의 자세한 사양이 목록되었다.
- 실시하였다. 실험을 통하여 균열을 개시시키는 임계하중을 인자로 하여 이종재료 계면에서의 접합능력인 겉보기 계면인성값을 구하고 그에 대한 경향을 분석하였다.
- KS L 1603, KS B 5538의 시험 절차에 따라 수행하였다.이러한 절차에 의해 경도 시험은 각각의 시편에 대하여 두께방향으로 일정간격씩 측정하였으며, 각 위치의 경도 평균값을 구하기 위해서 기준점으로부터 각각 동일 거리에서 500g의 하중으로 5회 반복하여 조사하였다.
대상 데이터
- 또한 기재와 단열 코팅층 사이의 물성치 차이를 줄이기 위해 NiCrAlY을 본드코트(bond coat)로 사용하였다. 기재 위의 단열 코팅충은 폭발 용사법을 사용하여 적층시켰다.
- 본 연구에서 사용된 시험편은 고온용 구조재료로 사용되는 니켈기 초합금인 인코넬(Inconel HX) 재를 기재(substrate)로 하고 부분 안정화 지르코니아(PSZ)를 세라믹 단열 코팅층으로 하였다. 또한 기재와 단열 코팅층 사이의 물성치 차이를 줄이기 위해 NiCrAlY을 본드코트(bond coat)로 사용하였다.
- 시험편은 3종류로서 전통적 TBC인 2중 코팅의 이종재(Duplex)와 2종류의 FGM이다. 첫 번째의 Duplex 시험편은 NiCrAlY bond coat증이 약 50/如, PSZ 코팅층이 약 100例 정도로 제작되었다.
데이터처리
- 이때 균열 반지름(a)은 화상분석기를 사용하여 측정하였다. 각각의 코팅층 계면에서 작용 하중과 균열길이는 5점 이상을 구하여 평균값을 사용하였다. 여기서 구해진 하중(P)과 균열길이(a) 사이의 관계는 로그 좌표계를 이용하면 주어진 기재와 코팅에 대하여 직선으로 나타난다.
이론/모형
- 것이다. 혼합계의 탄성율은 대수혼합법칙"7)[ log£3 = VrlogEi + y2log£2]i- 사용하였고 첨자 3은 복합재이고 1, 2는 구성요소, V는 체적분율을 의미한다. 본 연구에서는 식 (5)에 의해서 유도된 (E/H)율을 보상해서 K財을 계산한 다음의 관계를 이용하였다.
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3.1 경도시험
경도측정을 위해 사용된 시험기는 하중을 100g 에서 1000g까지 가할 수 있는 마이크로 비커스경도 시험기이고, 경도 시험절차는 ASTM E 103-84, KS L 1603, KS B 5538의 시험 절차에 따라 수행하였다.이러한 절차에 의해 경도 시험은 각각의 시편에 대하여 두께방향으로 일정간격씩 측정하였으며, 각 위치의 경도 평균값을 구하기 위해서 기준점으로부터 각각 동일 거리에서 500g의 하중으로 5회 반복하여 조사하였다.
- 또한 기재와 단열 코팅층 사이의 물성치 차이를 줄이기 위해 NiCrAlY을 본드코트(bond coat)로 사용하였다. 기재 위의 단열 코팅충은 폭발 용사법을 사용하여 적층시켰다.<顺 폭발용사법은 폭발 관통 내에 아세틸렌, 수소 등의 연료가스와 산소를 혼합시킨 후 점화시켜 폭발시키고, 이때 생성되는 폭발열과 압력을 이용하여 분말을 용융, 분사하는 방법이다.
- 이와같이 Chicot의 실험식을 이용하여 계면 인성을 구하였다. 먼저 세라믹 100%충과 이웃한 충의 계면에서 겉보기 계면인성값을 구하였다.
성능/효과
- (1) 기재와 금속계 결합 코팅층에서는 경도값의 분산(scatter)이 적은 반면, FGM층과 세라믹충 내에서는 코팅층 적층시 발생한 기공으로 인하여 큰 경도값의 분산을 보였다. 코팅층 두께가 두꺼워지면 분말야금 공정의 특성상 경도 분산의 정도는 더욱 심해졌다.
- (2) 금속성분이 많은 계면에서는 균열을 개시시키는 임계하중이 Duplex, FGM1, FGM2 순으로 컸지만 균열에 대한 저항을 나타내는 겉보기 계면인성은 FGM2, FGM1, Duplex 순으로 나타났다. 즉, 계면에 이웃한 층과 전체 코팅층의 두께가 증가할수록 계면인성이 우수하였다.
- (3) 경사조성층에서는 세라믹 조성 함유량이 증가될수록 균열이 빠르게 진전하여 급격한 인성의 저하를 가져왔고, 코팅층 두께가 다르더라도 동일한 조성의 계면에서는 계면인성이 거의 유사하였다. FGM의 경사충에서는 코팅충의 두께보다 세라믹 조성 함유량이 계면인성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 생각된다.
- (4) 기존의 평가법에서 어려웠던 두께가 얇고 크기가 작은 코팅층의 계면인성을 비교적 간단하게 측정할 수 있었다. 더구나 다층의 이종 복합재에서도 적용이 가능하며 강도와 인성을 함께 구할 수 있었다.
- 보이고 있다. FGM1 과 FGM2 시험편 경사 충에서 세라믹 조성의 함유량에 따른 계면 인성은 세라믹 성분이 증가할수록 계면인성이 급격히 감소되었다. PSZ 72.
- 8 은 FGM2 시험편의 결과를 나타낸 것이다. FGM2 도 FGM1 과 마찬가지로 세라믹 조성이 증가할수록 균열과 기울기는 증가하는 경향을 나타냈다. 이것은 세라믹 조성이 증가함으로써 세라믹 파괴의 전형적인 취성파괴의 영향에 기인한 것으로 생각된다.
- FGM1 과 FGM2 시험편 경사 충에서 세라믹 조성의 함유량에 따른 계면 인성은 세라믹 성분이 증가할수록 계면인성이 급격히 감소되었다. PSZ 72.6/77.9%인 층의 계면 인성은 가장 낮았으며 기재/금속 코팅층 계면에 비해 FGM1 의 경우 39%, FGM2의 경우 41% 정도 감소하였다. 그 이상의 세라믹 함량에서는 측정이 불가능하였지만 점점 낮아지리라 예상된다.
- 또한 Duplex 시험편의 계면인성이 다른 시험편들에 비해서 현저히 낮게 평가되었는데 이는 계면에 이웃한 충들의 두께가 인성치에 의존성이 있음을 시사하는 것이다. 경사충과 bond coat충의 두께가 FGM1 에 비해 2배인 FGM2에서의 인성값이 FGM1 에 비해 약간 높았다. Duplex는 연취성 계면인데 비해 FGM은 취성계면이기 때문에 비균질과 균질성으로 인한 계면 인성의 차이가 발생한다고 판단된다.
- 경사층이 없는 Duplex와 경사충을 갖는 FGM의 단순비교에서도 FGM의 계면이 높은 인성값을 지녀 FGM 재료의 응력완화 효과를 기대할 수 있음을 알았다. 또한 Duplex 시험편의 계면인성이 다른 시험편들에 비해서 현저히 낮게 평가되었는데 이는 계면에 이웃한 충들의 두께가 인성치에 의존성이 있음을 시사하는 것이다.
- 알았다. 또한 Duplex 시험편의 계면인성이 다른 시험편들에 비해서 현저히 낮게 평가되었는데 이는 계면에 이웃한 충들의 두께가 인성치에 의존성이 있음을 시사하는 것이다. 경사충과 bond coat충의 두께가 FGM1 에 비해 2배인 FGM2에서의 인성값이 FGM1 에 비해 약간 높았다.
- 임계하중이 Duplex, FGM1, FGM2 순으로 컸지만 균열에 대한 저항을 나타내는 겉보기 계면인성은 FGM2, FGM1, Duplex 순으로 나타났다. 즉, 계면에 이웃한 층과 전체 코팅층의 두께가 증가할수록 계면인성이 우수하였다. 그러므로 계면 인성은 코팅층 두께에 많은 영향을 받고 있음을 알 수 있었다.
- 먼저 세라믹 100%충과 이웃한 충의 계면에서 겉보기 계면인성값을 구하였다. 취성과연성재료가 혼재된 계면에서 인성값을 평가할 수 있었으며, 더구나 본 연구의 시험편처럼 두께가 얇은 재료에서 측정이 가능하였다.
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