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열차폐코팅의 비파괴적 손상 평가를 위한 고감도 와전류 센서 설계
Designing a Highly Sensitive Eddy Current Sensor for Evaluating Damage on Thermal Barrier Coating 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.36 no.3, 2016년, pp.202 - 210  

김종민 (성균관대학교 기계공학과) ,  이슬기 (LG전자 H&A사업본부) ,  김학준 (성균관대학교 기계공학과) ,  송성진 (성균관대학교 기계공학과) ,  석창성 (성균관대학교 기계공학과) ,  이영제 (성균관대학교 기계공학과)

초록
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열차폐코팅은 극한의 열환경에서 사용되는 기계요소를 고온으로부터 보호하기 위하여 널리 이용하는 코팅으로, 관련 산업의 경제적 이윤과 사용자 안전에 관련한 중요한 기술이다. 따라서 이런 열차폐코팅의 비파괴적 손상 평가는 그 중요성이 높이 평가되어 왔으나, 코팅 파쇄의 원인이 되는 내부의 미세한 조성 변화를 감지하기 위한 기술적 난제를 안고 있는 연구 주제이다. 본 논문은 열차폐코팅의 비파괴적 손상 평가를 위한 유한요소해석 기반 고감도 와전류 센서 설계 과정을 소개하고, 설계한 센서를 제작하여 진행한 성능 평가를 통해 설계 과정을 검증하였다. 와전류 센서의 성능을 예측하기 위하여 유한요소해석을 수행한 결과, 열차폐코팅의 손상 정도에 따른 센서의 임피던스가 증가와, 마그네틱 쉴드를 적용하였을 때 자속집속에 의한 검출능 향상을 관찰할 수 있었다. 또한 실제 실험결과와 비교를 통해 유한요소해석 결과를 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A thermal barrier coating (TBC) has been widely applied to machine components working under high temperature as a thermal insulator owing to its critical financial and safety benefits to the industry. However, the nondestructive evaluation of TBC damage is not easy since sensing of the microscopic c...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 한편 시뮬레이션에서 고려하였던 자속 집중에 의한 센서 성능 향상 또한 실제 실험에서 관찰할 수 있었다. 마그네틱 쉴드는 본드 코팅 층 내부 와전류 밀도를 증가시키는 효과가 있다고 판단되며, 이는 고주파수 대역에서 강한 표피효과에 의해 침투 깊이가 낮아지는 와전류탐상의 제약을 보완하고자 할 때 유용하다. 단, 일부 데이터는 경향에서 벗어나는 것이 관찰되었는데, 가장 주요한 요인은 열차폐코팅의 손상이 불균일하게 진행되는 점으로 판단된다.
  • Gughes의 연구 결과가 발표되기도 하였다[10]. 본 논문에서는 와전류탐상시험의 원리를 이해하여 열차폐코팅 내부의 미세한 전기전도도 변화와 산화물 층 성장을 평가하기 위한 와전류 탐촉자의 설계 기법을 FEM을 통해 제시하고, 실제 실험결과를 비교하여 이를 검증하였다.
  • 본 논문은 유한요소해석 시뮬레이션을 기반으로, 열차폐코팅의 비파괴적 손상 평가를 위한 고감도 와전류 센서를 설계하고 그 성능을 실제 실험을 통해 평가하는 과정을 기술하였다. 센서 설계 과정과 이를 검증하는 실험의 결과를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
  • 와전류 신호는 다양한 분야의 특성에 영향을 받으며, 각각 특성의 대상은 크게 시험체, 실험기기, 프로브 등으로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 실험 기기의 특성 중에서도 운행주파수에 의한 와전류 신호의 영향을 프로브 설계에 고려하였다. 일반적으로 와전류 신호는 운행주파수가 높을수록 표면에서의 민감도가 증가하는 것으로 알려져 있다.
  • 와전류 센서(코일)을 설계할 때 고려해야 할 변수로는 코일의 내/외경, 높이, 선경, 권선수, 리프트오프, 표피효과에 의한 표준침투깊이, 운행주파수 등이 있다. 본 해석에서는 코일의 코어 재질 및 마그네틱 쉴드에 의한 표준침투깊이에 의한 효과와 운행 주파수에 따른 감도 변화를 중점적으로 관찰하고자 하였다. 따라서 코일의 형상을 Table 3와 같이 결정한 상태에서, 코어의 재질, 마그네틱 쉴드 적용 여부, 운행주파수(0 ~ 20 MHz)를 바꾸어가며 해석을 수행하였다.

가설 설정

  • 1) 열차폐코팅 내부에서는 손상에 따라서 본드코팅 층의 전도도 감소와 함께 비전도성인 TGO 층이 성장한다. 이때 열차폐코팅 내부의 변화를 물성이 변화하는 multi-layer 구조로 가정하여 모델링을 작성하였고, 실제 실험 결과를 통해 이러한 시뮬레이션 기법이 타당함을 입증하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
열차폐코팅은 무엇으로 널리 이용되고 있는가? 열차폐코팅은 가스 터빈 블레이드 등 극한의 열환경 하에서 작동하는 기계요소를 고온의 환경으로부터 보호하기 위한 열차폐재로써 널리 이용되고 있다. 열차폐코팅의 성능은 관련 산업의 경제적 이윤이나 사용자의 안전에 직결되는 요소로, 많은 연구가 열차폐코팅의 효율과 수명 증가에 기여해왔다[1].
열차폐코팅의 탑코팅 특징은? 열차폐코팅은 초합금 모재 층 위에 열차폐성능을 위한 본드 코팅과 탑 코팅 층을 용사하여 만들어진다. 탑 코팅은 주로 세라믹으로 이루어졌으며, 세라믹의 높은 열차폐 성능은 모재를 고온 환경으로부터 보호하기에 적합하다. 그러나 모재 위에 직접 탑 코팅을 용사할 경우 충분한 접합강도를 확보할 수 없다.
열차폐코팅 손상 평가를 위해 열화상 기법을 사용 시 장단점은? 한편 열화상탐지를 적용한 비파괴적 평가 기법들도 개발된 바 있다. 열화상 기법은 비접촉 검사가 가능하며 열차폐코팅의 표면 온도에 영향을 받지 않는다는 장점이 있으나, 시험체의 균일한 방사율을 구현하기 위하여 전체 표면을 검은색으로 도색해야 하는 등 고비용의 사전처리가 필요하다는 단점이 존재하였다[6]. 방사선투과시험은 방사선 차폐의 문제점을 안고 있으며, 초음파탐상은 신호의 큰 감쇄와 상호간섭의 문제를 안고 있는 등 기존의 비파괴평가 기법은 열차폐코팅의 비파괴적 손상 평가에 일부 한계가 존재했다.
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참고문헌 (13)

  1. R. A. Miller, "History of thermal barrier coatings for gas turbine engines: Emphasizing NASA's Role from 1942 to 1990" (2009) 

  2. H. Brodin, M. Jinnestrand, S. Johansson and S. Sjostrom, "Thermal barrier coating fatigue life assessment," Siemens AG (2006) 

  3. A. Fahr, B. Roge and J. Thornton, "Detection of thermally grown oxides in thermal barrier coatings by nondestructive evaluation," Journal of Thermal Spray Technology, Vol. 15(1), pp. 46-52 (2006) 

  4. Z. Ma, Y. Zhao, Z. Luo and L. Lin, "Ultrasonic characterization of thermally grown oxide in thermal barrier coating by reflection coefficient amplitude spectrum," Ultrasonics, Vol. 54(4), pp. 1005-1009 (2014) 

  5. Y. Zhao, L. Lin, X. M. Li and M. K. Lei, "Simultaneous determination of the coating thickness and its longitudinal velocity by ultrasonic nondestructive method," NDT & E International, Vol. 43(7), pp. 579-85 (2010) 

  6. G. Ptaszek, P. Cawley, D. Almond and S. Pickering, "Transient thermography testing of unpainted thermal barrier coating (TBC) systems," NDT & E International, Vol. 59, pp. 48-56 (2013) 

  7. C. C. Cheng, C. V. Dodd and W. E. Deeds, "General analysis of probe coils near stratified conductors," International Journal of Nondestructive Testing, Vol. 3, pp. 109-130 (1971) 

  8. Y. Li, T. Theodoulidis and G. Y. Tian, "Magnetic field-based eddy-current modeling for multilayered specimens. Magnetics," IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 43(11), pp. 4010-4015 (2007) 

  9. Q. Zhao, Q. Yu, Z. Qu, L. Si, X. Lu and Y. Meng, "Thickness measurement of nano-metallic film with electromagnetic sensor under large sensor-sample distance," Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), pp. 1-4 (2011) 

  10. R. Hughes, Y. Fan and S. Dixon, "Near electrical resonance signal enhancement (NERSE) in eddy-current crack detection," NDT & E International, Vol. 66, pp. 82-89 (2014) 

  11. G.-M. Javier, G.-G. Jamie, V.-S. Ernesto, "Nondestructive techniques based on eddy current testing," Sensors, Vol. 11(3), pp. 2525-2565 (2011) 

  12. A. C. Karaoglanli, K. Ogawa and A. Turk and I. Ozdemir, "Thermal shock and cycling behavior of thermal barrier coatings (TBCs) used in gas turbines," Progress in Gas Turbine Performance, pp. 237-260 (2013) 

  13. H. A. Sabbagh, E. H. Sabbagh, R. K. Murphy and J. Nyenhuis, "Assessing thermal barrier coatings by eddy-current inversion," Material Evaluation, Vol. 59(11), pp. 1307-1312 (2001) 

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