[논문]연소기 재생냉각 채널용 구리합금의 피로수명예측

이금오; 유철성; 허성찬; 최환석

doi:10.6108/kspe.2017.21.6.073

연소기 재생냉각 채널용 구리합금의 피로수명예측
Predictions of Fatigue Life of Copper Alloy for Regenerative Cooling Channel of Thrust Chamber 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.21 no.6, 2017년, pp.73 - 82

이금오 (Combustion Chamber Team, Korea Aerospace Research Institute) , 유철성 (Combustion Chamber Team, Korea Aerospace Research Institute) , 허성찬 (Combustion Chamber Team, Korea Aerospace Research Institute) , 최환석 (Combustion Chamber Team, Korea Aerospace Research Institute)

초록
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재사용 발사체용으로 개발되는 엔진은 반복 사용 조건에 따른 저사이클 열피로 문제를 고려해야 한다. 본 연구는 연소기 재생냉각채널에 사용되는 구리합금의 피로수명을 인장시험 데이터로부터 예측하기 위하여 기존의 연구자들이 제안하였던 수명예측식을 다양한 종류의 구리합금의 경우에 적용하여 비교하였다. 제안된 수명예측식 중 공통경사법은 구리합금의 수명 예측에서 가장 좋은 결과를 보여 주었으며, 수정 Mitchell 방법은 OFHC 구리의 수명 예측에서 가장 좋은 결과를 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Low-cycle thermal fatigue problem resulting from multiple use of a liquid rocket engine has to be considered for the development of a reusable launch vehicle. In this study, life prediction equations suggested by previous researchers were compared as applied to various copper alloy cases to predict fatigue lives from tensile test data. The present study has revealed that among the presently considered life prediction methods, universal slopes method provides the best life prediction result for the copper alloys, and the modified Mitchell's method provides the best life prediction result for oxygen free high conductivity (OFHC) copper.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 연소실 소재로 많이 사용하는 구리합금에 대한 고온 수명 예측을 인장시험 데이터로 예측할 수 있는지 확인하기 위하여 기존의 강(steel) 및 알루미늄(aluminum) 등에서 사용하였던 저사이클 피로 수명 예측 연구식[3-9]을 사용하여 비교하였으며, 이를 위해 NASA의 저사이클 피로시험 연구 데이터[1]와 KARI의 저사이클 피로시험 연구 데이터[10]를 이용하여, 기존의 모델들의 예측 정확도를 비교 검증하였다.

가설 설정

피로수명-변형률 범위의 log-log 선에 소성 변형률-수명관계선(plastic line, 소성선)의 경사가 거의 대부분의 재료에서 거의 상수라는 것은 상대적으로 잘 인정되고 있는 가정이다. 그러나 탄성 변형률-수명 관계(elastic line, 탄성선)의 경사는 종종 매우 넓은 범위 내에 위치하게 되고 재료 의존적인 값이다.

제안 방법

구리합금 노즐에 외피를 전기주조(Electroforming)하는 NASA와는 달리 KARI[10]에서는 크롬 구리합금(Cr-Cu)을 브레이징하여 외피와 접합하기 때문에 브레이징 열처리를 수행한 구리합금 소재에 대해 400℃와 500℃에서 인장시험 및 피로시험을 수행하였다. 고온에서 인장시험 및 변형률 제어 피로 시험을 수행하기 위해서 고온 챔버 안에서 온도를 제어한 이후, 인장계(extensometer)를 사용하여 총 변형률 제어 피로시험(total strain controlled fatigue test)을 총 변형률 범위 0.5%에서 3%까지 수행하였다. 각각의 소재 이름과 재료 상태를 그림에 간략하게 표기하기 위해서 각 소재의 약어를 Table 1에 정리하였다.
재생냉각채널의 저사이클 열피로 수명을 예측 하기 위해 NASA와 KARI의 구리합금 데이터를 사용하여 7종의 피로수명 예측식을 비교하였으며, 비교 결과는 다음과 같다.
은(Ag)은 구리합금과의 비교를 위해 추가로 시험을 한 것으로 보인다. 주로 538℃(1000℉)의 아르곤 분위기에서 시험을 수행하여 각 소재의 인장 물성치 및 피로 물성치를 비교하였다. 구리합금 노즐에 외피를 전기주조(Electroforming)하는 NASA와는 달리 KARI[10]에서는 크롬 구리합금(Cr-Cu)을 브레이징하여 외피와 접합하기 때문에 브레이징 열처리를 수행한 구리합금 소재에 대해 400℃와 500℃에서 인장시험 및 피로시험을 수행하였다.

이론/모형

이 수정된 공통경사법(modified universal slopes method)은 초기 방법에 비해서 탄성선과 소성선에 대하여 약간 더 낮은 값의 공통경사를 사용하였다. Fig.

성능/효과

(1) 피로수명 예측식들에서 가장 좋은 수명 예측을 하는 예측식은 OUSM과 MMM이었으며, 가장 좋지 않은 예측식은 MUSM과 OMM이었다.
(2) OUSM은 구리합금의 수명 예측에서 가장 좋은 결과를 보여주었으며, MMM은 OFHC 구리의 수명 예측에서 가장 좋은 결과를 보여주었다. 은(Ag)에 대해서는 BSM-Steel이가장 좋은 결과를 보여주었다.
(3) 구리합금에 대한 과대 수명 예측을 하지 않아 보수적인 설계가 가능한 피로 수명식은 MMM과 BSM-Al이었다.
Zr-Cr과 Te-Cr에 대해서는 공통경사법(original universal slopes method, OUSM)이 가장 적은 편차를 가지고 있었으며, 다양한 합금을 섞은 ZCMC, CBZC의 경우에도 좋은 결과를 보여주었다. OFHC 구리에 대해서는 MMM이 가장 좋은 결과를 보여주었으며, 은(Ag)에 대해서는 BSM-Steel이, KARI의 Cr-Cu에 대해서는 Ong의 방법이 가장 좋은 결과를 보여주는 것을 알 수 있다.
각각의 소재에 대한 편차의 최소 값이 진한(bold) 숫자로 구별되어 있다. Zr-Cr과 Te-Cr에 대해서는 공통경사법(original universal slopes method, OUSM)이 가장 적은 편차를 가지고 있었으며, 다양한 합금을 섞은 ZCMC, CBZC의 경우에도 좋은 결과를 보여주었다. OFHC 구리에 대해서는 MMM이 가장 좋은 결과를 보여주었으며, 은(Ag)에 대해서는 BSM-Steel이, KARI의 Cr-Cu에 대해서는 Ong의 방법이 가장 좋은 결과를 보여주는 것을 알 수 있다.
그 결과로 수정 Mitchell의 방법(Modified Mitchell's Method, MMM)으로 예측한 결과가 가장 많은 데이터를 3X 흩어짐 범위에 놓는 것(0.643)을 알 수 있었으며, 가장 흩어짐이 심한 결과는 기존 Mitchell의 방법(Original Mitchell's Method, OMM)이라는 것(0.412)을 알 수 있다.
또한 여기에서 특이한 결과는 은(Ag)의 저사이클 피로 수명 예측에서, Baumel-Seeger의 방법(BSM-Steel) 과 Ong's 방법(OM)이 좋은 결과를 주었다는 것이다.
6에 나타나 있다. 수정 공통경사법과 같이 데이터의 흩어짐이 매우 심한 것들을 볼 수 있으며, 흩어짐이 큰 소재들은 초기 공통경사법의 결과와 같이 은(AgDr)과 OFHC 구리합금류(OF-H, OF4H, OFAn)이 대부분 과대 예측하는 경향이 있음을 알 수 있으며, Zr-Cu 합금류(ZrAn, Zr4H, Zr2H)도 유사한 경향이 있음을 알 수 있다. 초기 공통경사법의 경향과 비슷하게 전기주조 구리합금(Elfm)과 KARI의 크롬-구리합금 400℃의 데이터(CrB4)가 대부분 과소예측하는 결과가 나왔다.
4에서는 많은 데이터가 두 점선으로 표시된 것과 같이 3X 흩어짐 범위 내에 들어오는 것들을 볼 수 있으나 은(AgDr)과 OFHC 구리합금류(OF-H, OF4H, OFAn)는 대부분 과대 예측하는 경향이 있음을 알 수 있다. 저사이클 피로 시험 데이터의 흩어짐 범위가 비교적 컸던 전기주조 구리합금(Elfm)은 대부분이 과소 예측하는 결과를 가져왔으며, KARI의 크롬-구리합금도 400℃의 데이터(CrB4)가 대부분 과소 예측하는 결과가 나왔다.
3에서는 각각 NASA에서 수행한 저사이클 피로 시험 데이터와 KARI에서 수행한 저사이클 피로 시험 데이터를 총 변형률 범위에 대해서 나타내고 있다. 주어진 총 변형률 범위에서는 Zr2H와 Zr4H가 가장 높은 수명을 가지고 있는 것을 알 수 있으며, 전기주조소재(Elfm)와 OF4H가 가장 낮은 수명을 가지고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	재사용 발사체가 재주목 받기 시작한 배경은?	우주왕복선(Space Shuttle) 프로그램의 종료와 함께 재사용 발사체에 대한 개발 계획이 없어지다가, 최근의 민간우주기업들의 재사용 발사체에 대한 시도로 말미암아 발사체의 재사용은 다시금 주목받고 있다. 많은 재생냉각 로켓 엔진 연소기는 한번이나 몇 번의 검증을 위해서만 고온에서 구동하는 사이클을 필요로 하였다.
	반복되는 작동과정에서 이러한 열적 조건을 견디기 위해서 필요한 것은?	로켓 엔진 연소기가 높은 성능을 내기 위한 작동 조건은 심각한 열환경을 발생시킨다. 반복되는 작동과정에서 이러한 열적 조건을 잘 견디기 위해서는 연소기의 소재는 높은 열전도도와 높은 열피로 저항성을 가지고 있어야 한다[1].
	탄성 변형률-수명 관계 경사에서 보여주는 문제점을 해결하기 위해 제안된 방법은 무엇인가?	그러나 탄성 변형률-수명 관계(elastic line, 탄성선)의 경사는 종종 매우 넓은 범위 내에 위치하게 되고 재료 의존적인 값이다. 이러한 재료 의존성을 고려하여 Mitchell[5]은 탄성선의 경사를 재료의 인장 강도로부터 계산하는 방법을 제안하였으며, 이방법에서, 변형률-수명 관계는 변형률 범위 Δε/2와 번복수(number of reversals to failure)의 2Nf로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

참고문헌 (10)

Conway, J.B., Stentz, R.H. and Berling, J.T., "High Temperature, Low-Cycle Fatigue of Copper-Base Alloys in Argon; Part I - Preliminary Results for 12 Alloys at $1000^{\circ}F$ ( $538^{\circ}C$ )," NASA CR 121259, 1973.
Arya, V.K. and Halford, G.R., "Large-Displacement Structural Durability Analyses of Simple Bend Specimen Emulating Rocket Nozzle Liners," NASA TM 106521, 1994.
Manson, S.S., "Fatigue - a Complex Subject," Experimental Mechanics, Vol. 5, No. 7, pp. 193-226, 1965.

상세보기
Muralidharan, U. and Manson, S.S., "A Modified Universal Slopes Equation for Estimation of Fatigue Characteristic of Metals," Journal of Engineering Materials and Technology, Vol. 110, Issue 1, pp. 55-58, 1988.

상세보기
Mitchell, M.R., Fatigue and Micro- structures, American Society for Metals, Metals Pack, O.H., U.S.A., pp. 385-437, 1979.
Lee, K.O., Bae, K.H. and Lee, S.B., "Comparison of Prediction Methods for Low-Cycle Fatigue of HIP Superalloys at Elevated Temperatures for Turbopump Reliability," Materials Science and Engineering A, Vol. 519, Issue 1-2, pp. 112-120, 2009.

상세보기
Baumel, A.J. and Seeger, T., Materials Data for Cyclic Loading, Supplement 1, Elsevier Science Publishers, Amsterdam, Netherlands, 1990.
Ong, J.H., "An Improved Technique for the Prediction of Axial Fatigue Life from Tensile Data," International Journal of Fatigue, Vol. 15, No. 3, pp. 213-219, 1993.

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Park, J.H. and Song, J.H, "Detailed evaluation of methods for estimation of fatigue properties," International Journal of Fatigue, Vol. 17, No. 5, pp. 365-373, 1995.

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Lee, K.O., Ryu, C.S. and Choi, H.S., "Comparison of Life Prediction Method of Copper Alloy of Regenerative Cooling Chamber for Thrust Chamber," Aerospace Engineering and Technology, Vol. 9, No. 2, pp. 90-97, 2010.

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