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.
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.
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...
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 change that occurs on the TBC is required during an evaluation. We designed an eddy current probe for evaluating damage on a TBC based on the finite element method (FEM) and validated its performance through an experiment. An FEM analysis predicted the sensitivity of the probe, showing that impedance change increases as the TBC thermally degrades. In addition, the effect of the magnetic shield concentrating magnetic flux density was also observed. Finally, experimental validation showed good agreement with the simulation result.
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 change that occurs on the TBC is required during an evaluation. We designed an eddy current probe for evaluating damage on a TBC based on the finite element method (FEM) and validated its performance through an experiment. An FEM analysis predicted the sensitivity of the probe, showing that impedance change increases as the TBC thermally degrades. In addition, the effect of the magnetic shield concentrating magnetic flux density was also observed. Finally, experimental validation showed good agreement with the simulation result.
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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.
제안 방법
2) FEM 모델 해석을 통해 고감도 와전류 센서의 성능을 예측하여 적절한 운행주파수를 선정하는 방법과 이때 자속 집속의 역할에 대해 분석하였다. 높은 주파수 대역을 선택할수록 와전류 센서는 두께 및 물성변화 검출에 유리해지며, 이때 마그네틱 쉴드를 적용하면 자속을 보다 집중시켜 높은 주파수 때문에 감소하는 표준침투깊이를 보완할 수 있다.
3(b)는 마그네틱 쉴드를 적용한 프로브의 형상을 각각 모델링한 모습이다. TBC 시편 각 층의 두께와 전자기적 물성은 Table 2를 참조하여 입력하였고, 이를 통해 본드 코팅 층 열화에 따른 전기전도도 감소를 구현하였다. 또한 열차폐코팅의 열화에 따라 성장하는 TGO 층의 두께를 Table 1에 기재한 대로 입력하여 TGO 층의 성장을 모델링하였다.
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. 리프트오프는 0.
본 연구에서 검출하고자 하는 것은 열차폐코팅의 열화에 의한 내부의 미세한 변화이다. 때문에 물성 및 두께 변화에 매우 높은 감도를 갖는 센서 구현을 중점으로 코일을 설계하였다. 와전류 센서(코일)을 설계할 때 고려해야 할 변수로는 코일의 내/외경, 높이, 선경, 권선수, 리프트오프, 표피효과에 의한 표준침투깊이, 운행주파수 등이 있다.
5 MHz에서 공진현상을 보였다. 때문에 운전주파수는 공진주파수에 가까운 9.3 MHz를 중점적으로 관찰하였다. 실험장비와 탐촉자의 실제 사양 및 사진은 Fig.
TBC 시편 각 층의 두께와 전자기적 물성은 Table 2를 참조하여 입력하였고, 이를 통해 본드 코팅 층 열화에 따른 전기전도도 감소를 구현하였다. 또한 열차폐코팅의 열화에 따라 성장하는 TGO 층의 두께를 Table 1에 기재한 대로 입력하여 TGO 층의 성장을 모델링하였다.
마지막으로 시뮬레이션에서 모델링한 바와 같은 특성을 지닌 코일과 마그네틱 쉴드를 실제로 제작하고, 이를 이용하여 열차폐코팅 시편 상에서 코일의 임피던스를 측정하여 FEM 해석의 정확성을 검증하였다. 제작한 코일의 특성은 Fig.
0을 이용하였으며, 해석을 진행하기 위하여 코일의 설계 파라메터와 TBC 시편의 내부 구조를 먼저 모델링하였다. 먼저 시편과 탐촉자 모두 원형 형상을 갖기 때문에 axis-symmetric 해석모델을 사용하여 계산시간을 단축하고자 하였다. 전체 형상을 위와 같이 모델링한 결과는 Fig.
본 연구에서는 탐촉자와 시험체의 거리(리프트오프)와, 시험체의 전기전도도(σ) 변화, 그리고 표준침투깊이에 의한 임피던스 변화를 중점적으로 조사하였다.
실험을 통해 관측한 코일의 임피던스 변화량은 Fig. 10과 같이 마그네틱 쉴드를 적용하지 않았을 때 임피던스 변화량과 마그네틱 쉴드를 적용한 경우 임피던스 변화량을 열차폐코팅의 다양한 열화온도/시간에 따라 비교하여 나타내었다. FEM 해석 결과와 마친가지로, 코일의 임피던스 값은 공기 중에서 임피던스 값을 기준으로 정규화하였다.
열차폐코팅의 손상 평가를 위한 와전류 탐촉자의 성능을 평가하기 위하여 유한요소해석을 진행하였다. 해석에는 COMSOL Multiphysics 5.
열차폐코팅의 열화가 진행되며 내부에 산화 층이 형성되는데, 그 두께를 조사하기 위해 SEM 이미지를 촬영하였다. 각각의 열화조건에 대한 결과는 Table 1과 같다.
1절의 Table 1에서 앞서 언급한 바와 동일하다. 임피던스 분석기는 Agilent사의 4294A를 사용하여 5V 전압으로 코일을 구동하였으며 이 때 주파수는 40 kHz ~ 20 MHz의 대역을 설정하고 실험을 진행하였다. 먼저 코일의 공기 중에서 임피던스를 관찰한 결과 약 9.
실험장비 및 절차는 다음과 같다. 코일을 TBC 시편의 중심부에 위치시키고 임피던스 분석기를 연결하였다. TBC 시험편의 열화온도 및 시간은 3.
대상 데이터
본 연구에서는 Fig. 1과 같이 제작한 열차폐코팅 시험편을 사용하였다. 각 시험편은 열화온도와 시간을 달리하며 직경 25 mm의 원형으로 제작되었으며, 이를 Fig.
데이터처리
열차폐코팅의 손상 평가를 위한 와전류 탐촉자의 성능을 평가하기 위하여 유한요소해석을 진행하였다. 해석에는 COMSOL Multiphysics 5.0을 이용하였으며, 해석을 진행하기 위하여 코일의 설계 파라메터와 TBC 시편의 내부 구조를 먼저 모델링하였다. 먼저 시편과 탐촉자 모두 원형 형상을 갖기 때문에 axis-symmetric 해석모델을 사용하여 계산시간을 단축하고자 하였다.
성능/효과
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.
3) 열차폐코팅 파쇄의 가장 중요한 요인 중 하나인 TGO 층 성장과 와전류 신호의 리프트오프 효과에 의한 임피던스 증가 사이에 일치하는 경향이 있으며, 비전도성을 띄는 TGO 층의 물성과 밀접한 관계가 있음을 의미한다.
두번째, 코일의 임피던스 증가에 관련하여 중요한 요소는 산화층의 성장과 리프트오프 효과의 관계이다. 세라믹 재질인 탑 코팅 층과 열산화물로 이루어진 TGO 층은 공기와 거의 유사한 전기전도도를 갖는다.
7에서 확인할 수 있다. 두번째로는 마그네틱 쉴드를 적용하여 프로브의 민감도를 보다 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 마그네틱 쉴드는 프로브 임피던스의 변화량을 다소 증가시킨다.
공진주파수를 넘어설 경우, 코일은 인덕터가 아닌 캐패시터의 특성을 보이기 때문에 시험 결과에 더 이상 와전류탐상의 기본 원리를 적용할 수 없다. 따라서 실제 시험에서는 공진현상을 고려하여 가능한 높은 주파수 대역을 선택하는 것이 유리함을 알 수 있다.
먼저 모든 그래프를 공통으로, 코일의 운행주파수가 증가할수록 임피던스의 변화량도 커지는 경향을 보임을 알 수 있다. 따라서 운행주파수가 높을수록 시험편 내부의 전기전도도 감소와 TGO 층 두께 성장에 민감하고, 열차폐코팅의 손상평가에 유리함을 알 수 있다. 이는 주파수가 높아질수록 와전류탐상시험의 분해능이 높아진다는 기본 이론과 일치하는 결과이다.
위의 그림에서 색상이 빨간색에 가까운 영역일수록 자속 밀도가 높음을 나타낸다. 마그네틱 쉴드는 코일 측면으로 방출되는 자속을 효과적으로 차폐하고, 결과적으로 본드 코팅 층을 투과하는 자속 밀도는 마그네틱 쉴드의 적용 유무에 영향을 받음을 관찰할 수 있다.
먼저 모든 그래프를 공통으로, 코일의 운행주파수가 증가할수록 임피던스의 변화량도 커지는 경향을 보임을 알 수 있다. 따라서 운행주파수가 높을수록 시험편 내부의 전기전도도 감소와 TGO 층 두께 성장에 민감하고, 열차폐코팅의 손상평가에 유리함을 알 수 있다.
탐촉자의 임피던스는 다양한 요인에 의해 변화하는데, 요인에 따라 변화하는 양상 또한 다르다. 탐촉자의 운영주파수 f, 탐촉자와 시험체 간 거리(리프트오프), 시험체의 전기전도도, 투자율 등 전자기적 물성, 시험체의 두께, 표준침투깊이 등 다양한 요인이 임피던스에 영향을 준다. 때문에 와전류 신호를 이용해 시험체의 상태를 평가하기 위해서는 위와 같은 다양한 요인을 고려한 신호 분석 기법이 필요하다.
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.
참고문헌 (13)
R. A. Miller, "History of thermal barrier coatings for gas turbine engines: Emphasizing NASA's Role from 1942 to 1990" (2009)
H. Brodin, M. Jinnestrand, S. Johansson and S. Sjostrom, "Thermal barrier coating fatigue life assessment," Siemens AG (2006)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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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