[논문]Al 6061-T6 합금의 해수 내 캐비테이션 진폭에 따른 캐비테이션-침식 조건하에서 전기화학적 특성

황현규; 김성종

doi:10.14773/cst.2020.19.6.318

[국내논문] Al 6061-T6 합금의 해수 내 캐비테이션 진폭에 따른 캐비테이션-침식 조건하에서 전기화학적 특성
Electrochemical Characteristics with Cavitation Amplitude Under Cavitation Erosion of 6061-T6 in Seawater 원문보기

Corrosion science and technology, v.19 no.6, 2020년, pp.318 - 325

황현규 (목포해양대학교 기관공학과 대학원) , 김성종 (목포해양대학교 기관시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Generally, Al alloys of 5000 and 6000 series show excellent weldability, workability, and specific strength, and are widely used in ship building. A combined experiment via cavitation erosion and corrosion damage involving 6061-T6 Al alloy was performed using potentiodynamic polarization under cavitation erosion (hybrid experiments) with amplitude (cavitation strength). The corrosion current density was approximately 52-fold higher at 30 μm than under static conditions, suggesting that the amplitude greatly affected the damage. The degree of damage increased with increasing cavitation amplitude. After the hybrid experiment, the corrosion rate was compared according to the weight loss and damage depth, and the relationship between the two values was expressed as alpha value. The alpha (α) values at amplitudes of 5 μm, 10 μm and 30 μm were 5.11, 12.81 and 8.74, respectively, suggesting that the α value at 10 μm was greater than at 5 μm, and indicating local corrosion damage. However, the α value at 30 μm was smaller than that of 10 μm, which is attributed to higher damage via uniform corrosion than damage induced by local corrosion.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Schematic diagram of hybrid experiment in seawater.
표 Table 1 Chemical compositions of 6061-T6 Al alloy (wt%)
그림 Fig. 2 Results of Tafel analysis after hybrid experiment for 6061-T6 Al alloy in seawater.
표 Table 2 Chemical compositions and properties of seawater (wt%)
그림 Fig. 3 Appearance after hybrid experiment with amplitude for 6061-T6 Al alloy in seawater.
그림 Fig. 4 Surface morphologies after cavitation-erosion and hybrid experiment with amplitude for 6061-T6 Al alloy in seawater.
그림 Fig. 5 Schematic diagram on damage after cavitation-erosion and hybrid experiment with amplitude for 6061-T6 Al alloyin seawater.
그림 Fig. 6 3D microscopic image analysis after hybrid experiment with amplitude for 6061-T6 Al alloy in seawater.
그림 Fig. 7 Surface damage depth after cavitation-erosion and hybrid experiment with amplitude for 6061-T6 Al alloy in seawater.
그림 Fig. 8 Weight loss after cavitation-erosion and hybrid experiment with amplitude for 6061-T6 Al alloy in seawater.
그림 Fig. 9 Alpha(α) value after hybrid experiment with amplitude for 6061-T6 Al alloy in seawater.
표 Table 3 Alpha(α) value calculation process after hybrid experiment with amplitude for 6061-T6 Al alloy in seawater

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 선체 건조 시 사용되는 6061-T6에 대하여 캐비테이션 진폭에 따라 캐비테이션-침식과 전기화학 실험을 복합적으로 실시한 후, 기존 연구한 캐비테이션-침식 실험결과와 비교하는 연구를 수행하였다.
본 연구는 천연해수 용액에서 Al 6061-T6에 대하여 하이브리드 실험(캐비테이션 환경하에서 전기화학적 실험)을 실시하였다. Table 1은 본 연구에 사용된 6061-T6 (Al-Mg-Si 합금)의 화학조성을 나타낸 것이다.

제안 방법

가공 과정에서 발생한 이물질을 제거하기 위해 1분간 초음파 세척을 실시한 후 아세톤과 증류수로 세척하였다. 또한 캐비테이션-침식 조건에서 전기화학적 부식에 의한 손상도 평가를 위하여 실험 전･후 진공 건조기에서 24시간 이상 건조하여 무게를 측정하였다. Fig.
기존 연구에서 다양한 알루미늄 합금의 캐비테이션-침식실험 결과를 발표하였다 [7]. 본 연구는 캐비테이션-침식 환경하에서 추가적으로 동전위 분극시험을 실시하기 위해 캐비테이션-침식장비와 전기화학 실험 장비인 GAMRY instrument사의 US/PCI/750을 동시에 사용하여 수행하였다.
이때 진동은 20 kHz로 유지시켰으며, 캐비테이션 진폭의 크기는 캐비테이션 혼의 형상을 달리하여 각각 5 ㎛, 10 ㎛, 30 ㎛로 맞추었으며, 정진폭 자동제어 방법으로 실험 중 일정하게 유지하였다. 시편은 혼에 대향하여 1 mm 간격을 유지하였으며, 진폭 변수에 따른 손상도 평가를 위해 실험 시간 30분으로 일정하게 하였다. 기존 연구에서 다양한 알루미늄 합금의 캐비테이션-침식실험 결과를 발표하였다 [7].
5% NaCl 용액에서 탄소강의 캐비테이션-침식 조건에서 캐비테이션 진폭이 전기화학적 특성에 미치는 영향을 연구하였다 [18]. 이 연구에서 캐비테이션-침식 실험 후 무게 감소로 얻은 부식률과 깊이 손상으로 얻은 부식률을 비교하여 둘 사이의 관계를 나타내었다. 이 관계는 깊이 손상(부식률, corrosion rate) = α × 무게감소량(부식률, corrosion rate).
가하는 장치이다. 이때 진동은 20 kHz로 유지시켰으며, 캐비테이션 진폭의 크기는 캐비테이션 혼의 형상을 달리하여 각각 5 ㎛, 10 ㎛, 30 ㎛로 맞추었으며, 정진폭 자동제어 방법으로 실험 중 일정하게 유지하였다. 시편은 혼에 대향하여 1 mm 간격을 유지하였으며, 진폭 변수에 따른 손상도 평가를 위해 실험 시간 30분으로 일정하게 하였다.
선박의 고속운항 시 이와 같이 캐비테이션-침식에 의한 손상이 가중되고 있어 관련 연구가 진행되고 있다. 이와 같은 연구를 통해 선체에 사용되는 다양한 알루미늄 합금의 캐비테이션에 대한 저항성과 캐비테이션 강도(진폭)에 따른 손상 거동을 평가하였다.
전기화학 실험은 시편의 노출면적을 4.52 cm2으로 동일하게 노출되도록 전기화학적 셀을 구성하였으며, 기준전극은 은/염화은(Ag/AgCl) 전극으로, 상대전극은 백금전극으로 하여 천연해수에서 실시하였다. 천연해수는 이 중 비커를 사용하여 냉각수를 공급함으로써 25 ℃로 일정 온도를 유지시켰으며, 본 실험에 사용된 천연해수의 주요 성분 및 특성은 Table 2에 나타냈다.
동전위분극 실험은 실험 전 안정화 시간으로 3, 600 초간 침지 후 1 mV/s의 주사속도로 분극시켰으며, 그 결과에 대하여 타펠외삽법(Tafel’s extrapolation method)을 이용하여 부식전위와 부식전류 밀도를 산출하였다. 하이브리드 실험 후 손상 정도를 평가하기 위해 무게 감소량을 비교하였으며, 3D 분석 현미경 및 Table 2 Chemical compositions and properties of seawater (wt%) 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM) 을 이용하여 표면을 관찰하였다.
하이브리드 실험 후, 손상 깊이를 통해 얻은 부식률과 무게 감소량을 통해 얻은 부식률의 관계를 나타내어 α 값을 산출하였다. α 값은 10 ㎛가 5 ㎛보다 큰 값을 나타내어 국부적인 손상이 더 발생한 것으로 판단되고, 30 ㎛는 10 ㎛보다 작게 나타났는데, 이는 국부적인 손상보다 전체적으로 균일부식 손상이 발생했기 때문으로 사료된다.

이론/모형

천연해수는 이 중 비커를 사용하여 냉각수를 공급함으로써 25 ℃로 일정 온도를 유지시켰으며, 본 실험에 사용된 천연해수의 주요 성분 및 특성은 Table 2에 나타냈다. 동전위분극 실험은 실험 전 안정화 시간으로 3, 600 초간 침지 후 1 mV/s의 주사속도로 분극시켰으며, 그 결과에 대하여 타펠외삽법(Tafel’s extrapolation method)을 이용하여 부식전위와 부식전류 밀도를 산출하였다. 하이브리드 실험 후 손상 정도를 평가하기 위해 무게 감소량을 비교하였으며, 3D 분석 현미경 및 Table 2 Chemical compositions and properties of seawater (wt%) 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM) 을 이용하여 표면을 관찰하였다.

성능/효과

6은 천연해수 용액에서 다양한 진폭에서의 하이브리드 실험 후 표면을 3D 현미경 분석 결과와 최대 손상 깊이를 나타낸 것이다. 3D 현미경 분석 결과, 전반적으로 모든 진폭에서 표면 조직이 탈리되며 진폭크기가 상승할수록 폭과 손상 깊이 모두 증가하는 경향이 관찰되었다. 최대 손상 깊이는 5 ㎛ 진폭조건에서 55.
전체적으로 하이브리드 실험 결과의 최대 손상깊이는 양극분극에 따라 부가적인 활성용해 반응이 발생하여 캐비테이션-침식 실험만 실시한 결과보다 큰 값을 나타냈다. 두 조건에서 증가된 폭을 비교해보면, 5 ㎛에서 10 ㎛의 구간의 경우, 현저히 상승하였으나, 10 ㎛에서 30 ㎛의 경우, 오히려 증가 폭은 감소하였다. 이는 5 ㎛에서 10 ㎛의 경우, 하이브리드 실험이 활성용해 반응에 의한 전기화학적 부식이 가속화되므로 진폭 증가에 따라 깊이 방향으로 상승하였지만, 30 ㎛의 경우, 두 조건에 따른 차이가 오히려 10 ㎛에 비해 감소하게 된 이유는 모두 큰 진폭에 의해 전기화학적 부식에 의한 영향보다 물리적 충격에너지가 현저히 큰 영향을 미치므로 깊이 방향보다 전체적으로 균일하게 평탄화되면서 큰 손상이 발생하였기 때문으로 사료된다.
5 ㎛에서 10 ㎛는 전기화학적 특성에 의해 국부 부식의 영향이 컸지만, 10 ㎛에서 30 ㎛는 캐비테이션-침식에 따른 물리적 충격에 의한 균일부식이 국부부식의 영향보다 크게 미친 것으로 사료된다. 따라서 진폭이 증가함에 따라 전기화학적 부식보다 물리적 충격에너지가 손상에 현저히 큰 영향을 미칠 것으로 사료된다.
2b와 c는 진폭변수에 따른 부식전위와 부식전류밀도 값을 나타낸 것이다. 먼저, 부식전위는 진폭이 증가함에 따라 다소 활성 방향으로 저하하는 경향을 나타내었다. 그러나 부식 전위는 서로 다른 금속 간의 갈바닉 셀이 형성된 경우 부식속도에 큰 영향을 주는 인자이며, 해수 내 단일 금속의 부식 특성에 대한 유의한 의미를 갖지 않는다 [13].
이러한 환경적 요인보다 캐비테이션 진폭에 따른 충격에너지에 의한 국부적인 손상이 발생하여 폭과 깊이가 증가한 것으로 사료된다. 반면 본 연구 결과는 전기화학적 부식으로 인한 활성용해 반응과 캐비티의 물리적 충격이 복합적으로 작용하여 캐비테이션-침식 실험에 비해 전체적으로는 균일하게 손상되었으나 부분적으로 국소적인 손상도 관찰되었다.
그러나 부식 전위는 서로 다른 금속 간의 갈바닉 셀이 형성된 경우 부식속도에 큰 영향을 주는 인자이며, 해수 내 단일 금속의 부식 특성에 대한 유의한 의미를 갖지 않는다 [13]. 반면 부식전류 밀도는 정적조건, 5 ㎛, 10 ㎛ 및 30 ㎛의 경우, 각각 8.81 × 10-7, 1.07 × 10-5, 2.84 × 10-5 및 4.62 × 10-5 A/cm2을 나타내어 특히, 30 ㎛조건에서 정적조건에 비해 약 52배 현저히 높은 값을 나타내어 진폭이 큰 영향을 미치는 사실을 확인할 수 있었다. 이는 캐비테이션 조건에서 형성된 캐비티의 충격압에 의한 물리적인 표면손상과 염소이온에 의해 전기화학적 부식이 가속화 되어 손상이 가중되며, 진폭이 클수록 시편 표면에 가해지는 충격에너지가 손상 정도를 가중시킴으로써 부식손상이 증가한 것으로 사료된다 [14].
7은 캐비테이션-침식 실험 [7]과 하이브리드 실험 결과에 대한 최대 손상깊이를 비교한 것이다. 전체적으로 하이브리드 실험 결과의 최대 손상깊이는 양극분극에 따라 부가적인 활성용해 반응이 발생하여 캐비테이션-침식 실험만 실시한 결과보다 큰 값을 나타냈다. 두 조건에서 증가된 폭을 비교해보면, 5 ㎛에서 10 ㎛의 구간의 경우, 현저히 상승하였으나, 10 ㎛에서 30 ㎛의 경우, 오히려 증가 폭은 감소하였다.
74를 나타냈다. 즉, 깊이 손상을 통해 얻은 부식률이 무게감소량 감소를 통해 얻은 부식률보다 각각 5.12 배, 12.90 배, 8.74 배 높다는 의미다. Fig.
3D 현미경 분석 결과, 전반적으로 모든 진폭에서 표면 조직이 탈리되며 진폭크기가 상승할수록 폭과 손상 깊이 모두 증가하는 경향이 관찰되었다. 최대 손상 깊이는 5 ㎛ 진폭조건에서 55.32 ㎛이며, 10 ㎛, 30 ㎛의 경우는5 ㎛에 비해 각각 약 3배, 6배 이상 큰 값을 나타냈다. 다양한 알루미늄의 캐비테이션 진폭에 따른 기존 연구에서 손상 깊이는 본 연구의 경향과 부합하는 경향을 나타냈다 [7].
캐비테이션-침식 환경하에서 진폭 변수에 따른 동전위 분극실험 후 타펠분석 결과, 부식전류밀도는 30 ㎛ 조건에서 정적조건보다 약 52배 정도 현저히 높은 값을 나타내어진 폭이 큰 영향을 미친다는 사실을 확인할 수 있었다.
캐비테이션-침식실험과 하이브리드 실험을 비교한 결과, 두 조건 모두 전체적으로 캐비테이션 진폭 크기가 증가함에 따라 충격에너지 증가로 다수의 균열이 발생하여 결정이 탈리되면서 손상 부위와 손상깊이가 증가하였다. 하이브리드 실험이 캐비테이션-침식 실험보다 무게감소량과 손상 깊이 모두 큰 값을 나타냈으며, 전기화학적 손상에 비해 캐비테이션 특성에 따른 침식 손상의 영향이 더 크기 때문으로 판단된다.
캐비테이션-침식조건의 경우, 캐비티의 붕괴로 인하여 안정한 부동태 피막이 파괴되고, 캐비테이션 환경하에서 시편 표면의 분극 저항이 크게 감소된 피막 형성으로 인해 재부동태와 탈부동태되는 속도가 매우 빠르게 되어 국부적인 손상이 발생하였으며 [20], 캐비테이션 진폭이 증가함에 따라 충격에너지가 커져서 손상의 크기와 깊이가 현저히 증가하는 경향을 나타냈다. 한편, 하이브리드 실험의 경우 캐비테이션-침식 환경에 활성용해 반응이 추가됨으로써 전체적으로 균일한 부식과 부분적으로 침식 손상이 관찰되었으며, 진폭 증가에 따라 침식 손상은 현저히 증가하는 경향을 나타냈다.

후속연구

그동안 해양 환경하에서 전기화학적 부식과 캐비테이션-침식 손상에 대하여 각각 다양한 연구가 수행되었으나 캐비테이션-침식 환경하에서의 전기화학적 특성에 관한 연구는 매우 드물다. 그래서 해양 환경하에서 염소 이온에 의한 전기화학적 부식과 캐비테이션-침식 현상에 의한 물리적 손상이 동시에 작용한 경우, 시너지효과로 손상이 가속화되어 선체의 수명은 예상보다 단축되므로 복합적으로 연구할 필요가 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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