[논문]열 생성 알루미나 박막의 크리프 및 인장 특성

고경득; 선신규; 강기주

doi:10.3795/ksme-a.2007.31.6.665

열 생성 알루미나 박막의 크리프 및 인장 특성
Creep & Tensile Properties of Thermally Grown Alumina Films 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.31 no.6 = no.261, 2007년, pp.665 - 670

고경득 (전남대학교 대학원 기계공학과) , 선신규 (전남대학교 기계공학과) , 강기주 (전남대학교 기계시스템 공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Alpha-phase alumina TGO(Thermally Grown Oxide) forms on the interface between zirconia top coat and bond coat of thermal barrier coating system for superalloys during exposure to high temperature over $1000^{\circ}C$. It is known to provide a good protection against hot corrosion and to cause surface failure such as rumpling and cracking due to difference in thermal expansion coefficient from the substrate metal and the lateral growth. Consequently, mechanical properties of the alumina TGO at the high temperature are the key parameters determining the integrity of TBC system. In this work, by using Fecralloy foils as the alumina forming substrate, creep tests and tensile tests have been performed with various TGO thicknesses$(h=0{\sim}4{\mu}m)$ and yttrium contents(0, 200ppm) at $1200^{\circ}C$. Displacement-time curves and load-displacement curves for each TGO thickness(h=1,2,..) were measured from the creep and tensile tests, respectively, and compared with the curves without TGO thickness(h=0). As the result, the intrinsic tensile and creep properties of TGO itself were determined.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

가설 설정

TGO의 두께가 증가하여도 하부금속(Fecralloy) 의 재료물성은 불변하고 두 물질 상호간에 기계적 물성의 간섭이 없다고 가정하여 TGO에 작용하는 응력, 즉 TGO응력은 다음 식으로 부터 계산되었다.

제안 방법

12000에서 시편 표면에 형성된 산화막(TGO)의 두께(1~3㎛) 별로 크리프 시험과 인장 시험을 실시하였다. Fecralloy에 함유된 Yittnim의 성분량에 따른 크리프과 인장특성의 변화를 조사하였다.
Yttrium함량이 Oppm과 200ppm으로 다른 두 종류의 두께 100㎛의 Fecralloy 박판을 12000에서 크리프 및 인장 실험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
동일한 Fecralloy 박판을 와이어커팅으로 길이 50mm X 게이지폭 3mm의 개뼈형(dogbone type) 인장 시편으로 가공한 후 열처리하였다. 표면을 3㈣ 다이아몬드 분말로 연마하였으며, 박막의 변위를 측정하기 위한 표점을 형성하기 위하여 1100℃ 이상의 온도에서도 변하지 않는 알루미나 (Al2O3) 분말(입자크기 0.
O)와 줌렌즈(Navita 1-60135)를 조작하여 시편의 표면의 화상(immge)을 실시간으로 획득하였다. 디 지 털화상관련법(DIC; Digital Image Correlation 火) 소프트웨어인 VIC-2D 를 이용하여 시간에 따라 저장된 화상을 초기 화상과 비교하여 시편의 변위분포를 측정하였다. Fig.
따라서 시편 표면에 도포된 알루미나 입자들의 형상을 구분하기에 적절하도록 디지털 카메라(Kodak Megaplus Esl.O)와 줌렌즈(Navita 1-60135)를 조작하여 시편의 표면의 화상(immge)을 실시간으로 획득하였다. 디 지 털화상관련법(DIC; Digital Image Correlation 火) 소프트웨어인 VIC-2D 를 이용하여 시간에 따라 저장된 화상을 초기 화상과 비교하여 시편의 변위분포를 측정하였다.
2㎛)에 하중을 가하여 나타난 변형을 Fecralloy 금속자체의 크리프 특성으로 간주하였다. 또한 별도의 시험편으로 산화를 지속하여 그 TGO두께가 h=\, 2, 3, 4侧에 일 때의 크리프 변위를 측정하였다. Fig.
이러한 제어를 위해 전용 소프트웨어를 Hewllet Packard사의 HP-VEE 언어를 이용하여 개발하였다. 또한, Data Translation사의 DT322 보드를 이용하여 AD/DA 변환하였다. 산화막 두께의 측정을 위하여 파장에 따른 적외선 방사율(emissivity) 차이에 기반한 EDM (Emissivity Difference Method) 방법을 이용하였다.
시편에 고온을 발생시키는 방법으로 전기가 통과할 때 발생되는 저항열(Joule heat)을 사용하였다. 전기 공급 장치로 DC power supply (Hewllet Packard사, 6573A, 35V-60A)< 이용하였고, 시편에 원하는 온도를 얻기 위하여 적외선 온도계로 측정된 온도와의 오차를 피드백하여 공급전압을 가감하였다.
시편에 하중을 가하기 위하여 스테핑 모터를 이용하여 초당 10㎛의 속도로 변위제어 하였다.
시편의 가열초기에 두꺼운 산화막이 생성되기 이전 (TGO두께侬) < 0.2㎛)에 하중을 가하여 나타난 변형을 Fecralloy 금속자체의 크리프 특성으로 간주하였다. 또한 별도의 시험편으로 산화를 지속하여 그 TGO두께가 h=\, 2, 3, 4侧에 일 때의 크리프 변위를 측정하였다.
원하는 산화막 두께0=1伊)가 되었을 때 일정시간(10-20분) 동안 미리 정해둔 하중을 가하여 발생하는 변위를 측정한다. 그 다음 하중을 제거하고 가열을 지속한다.
전기 공급 장치로 DC power supply (Hewllet Packard사, 6573A, 35V-60A)< 이용하였고, 시편에 원하는 온도를 얻기 위하여 적외선 온도계로 측정된 온도와의 오차를 피드백하여 공급전압을 가감하였다. 이러한 제어를 위해 전용 소프트웨어를 Hewllet Packard사의 HP-VEE 언어를 이용하여 개발하였다. 또한, Data Translation사의 DT322 보드를 이용하여 AD/DA 변환하였다.
사용하였다. 전기 공급 장치로 DC power supply (Hewllet Packard사, 6573A, 35V-60A)< 이용하였고, 시편에 원하는 온도를 얻기 위하여 적외선 온도계로 측정된 온도와의 오차를 피드백하여 공급전압을 가감하였다. 이러한 제어를 위해 전용 소프트웨어를 Hewllet Packard사의 HP-VEE 언어를 이용하여 개발하였다.
표면을 3㈣ 다이아몬드 분말로 연마하였으며, 박막의 변위를 측정하기 위한 표점을 형성하기 위하여 1100℃ 이상의 온도에서도 변하지 않는 알루미나 (Al2O3) 분말(입자크기 0.05㎛)을 일정한 비율로 물에 혼합하여 분무기를 이용하여 시편 표면에도포하고, ioo°c에서 2시간동안 건조하였다. 건조 후 알루미나 분말은 표면에 고착된 상태로 존재하게 된다(Fig.

대상 데이터

12000에서 시편 표면에 형성된 산화막(TGO)의 두께(1~3㎛) 별로 크리프 시험과 인장 시험을 실시하였다. Fecralloy에 함유된 Yittnim의 성분량에 따른 크리프과 인장특성의 변화를 조사하였다.
05㎛의 이송거리 제어가 가능하다. 그리고 이 스테핑 모터를 제어하기 위해 SURUGA SEIKI사의 콘트롤러(Model; D121MS)를 이용하였다. Fig.
그러나 이 물질은 초합금 표면에 화학 또는 물리적으로 증착(CVD or PVD)되는 것으로 고체 상태의 균일한 물질로 입수하기가 어렵다. 대신 전기저항 발열체 소재인 Fecralloy(Fe72.8/Cr22/A 15/Y <0.1/Zr<0.1 good似low, com)로 시편을 제작하였다. Fecralloy는 BC와 유사하게 고온(1100X;이상)에서 a-상의 TGO를 생성하는 것으로 알려져 있다.
두께가 100㎛인 Fecralloy 박판을 절단하여 길이 50mm X 폭 5mm 크리프 시험편을 만들었다. 시험편을 석영관에 넣어 진공밀봉한 후 1000℃, 17시간동안의 열처리 과정을 거쳐서 조직을 안정화 하였다.
본 연구에서는 고온에서 TBC 시스템에서와 유사한 알루미나 TGO를 생성하는 재료로서 전기발열체 소재인 Fecralloy를 채택하였다. 12000에서 시편 표면에 형성된 산화막(TGO)의 두께(1~3㎛) 별로 크리프 시험과 인장 시험을 실시하였다.
Fecralloy는 BC와 유사하게 고온(1100X;이상)에서 a-상의 TGO를 생성하는 것으로 알려져 있다. 화학적 조성에서 Yittrium의 성분량이 약간 다른(Y=0ppm, 200ppm) 두 종류의 소재를 사용하였다.

이론/모형

또한, Data Translation사의 DT322 보드를 이용하여 AD/DA 변환하였다. 산화막 두께의 측정을 위하여 파장에 따른 적외선 방사율(emissivity) 차이에 기반한 EDM (Emissivity Difference Method) 방법을 이용하였다.“) 아래에서는 크리프시험기와 인장시험기를 차례로 설명하였다.

성능/효과

(1) 응력 l~10MPa 범위에서, 변형률속도로 표현되는 FecraUoy 금속자체의 크리프에 대한 저항성은 Y=200ppm인 시험편이 Y=0ppm인 것보다 높다.
(2) TGO의 두께 服1~4创1의 범위에서 TGO의크리프 저항성은 그 두께 方에 비례하여 증가하고, Yttrium함량의 영향은 없었다.
(3) Fecranoy 금속자체의 항복응력과 인장강도는 Y=200ppm인 시험편이 Y=0ppm인 것보다 높다.
(4) TGO의 두께가 方=1~3㎛인 범위에서 TGO의응력-변형률 곡선은 심한 산포(scatter)를 내포하여 Yttrium 함량이나 TGO 두께의 영향에 대한 일관된 경향을 관찰할 수 없었다. 다만, 초기 항복 후 응력의 급격한 감소와 일정한 감소 후 재상승, 그리고 변형율 e = 0.

참고문헌 (7)

Evans, A.G., Mumm, D.R., Hutchison, J.W., Meier, G.H., and Pettit, F.S., 2001, 'Mechanisms Controlling the Durability of Thermal Barrier Coatings,' Progress in Material Science, Vol. 46, pp. 505-553

상세보기
Stiger, M.J., Yanar, N.M., Topping, M.G., Pettit, F.S. and Meier, G.H., 1999, Z. Metallkd., Vol. 90, pp. 1069-1078
Lang E., 1989, The Role of Active Elements in the Oxidation Behavior of High Temperature Metals and Alloys, Elsevier, London
Lee, S.S., Sun, S.K., Kang, K.J., 2005, 'In-situ Measurement of the Thickness of Aluminum Oxide Scales at High temperature,' Oxidation of Metals, Vol. 63, pp. 73-85

상세보기
Ko, G.D., Lee, S.S. and Kang, K.J., 2007, 'Design and Construction of a High Temperature Creep Tester for Thin Film Specimens,' Transactions of the Korea Society of Mechanical Engineers A, Vol. 31, No. 2, in press

원문보기 상세보기
Lim, S.C., Joo, J.H. and Kang, K.J., 2003 'Method for Measuring Mechanical Behaviors of Thin Films at High Temperature,' Transactions of the Korea Society of Mechanical Engineers A, Vol. 27, No. 1, pp. 102-108

원문보기 상세보기
Sutton, M.A., Chae, T.L., Turner, T.J., and Bruck, N.A., 1990, ' Development of a Computer Vision Methodology for the Analysis of Surface Deformation in magnified Images,' ASTM STM 1094, pp. 109-132

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증