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문제 정의
- 이에 본 논문에서는 열차폐코팅의 미세구조 중 코팅 두께, 기공, 수직균열이 TGO 계면에 발생하는 열응력에 미치는 영향을 유한요소해석을 통해 파악하였으며, 그 결과를 바탕으로 열차폐코팅의 내구성을 향상시킬 수 있는 미세구조의 범위를 제안하였다.
제안 방법
- 구축한 기본 해석 모델을 기반으로 미세구조에 따른 해석 모델을 각각 구축하였다. 코팅 두께가 TGO 열응력에 미치는 영향을 확인하기 위해 Top 코팅과 Bond 코팅의 두께 변화에 따른 해석 모델을 구축하였다.
- 해석 모델은 Top 코팅, TGO, Bond 코팅, 초내열합금 모재 총 4개 층으로 구현하였으며, 각 층의 경계면은 실제 열차폐코팅의 단면을 분석하여 Bond 코팅과 초내열합금 경계는 직선으로 모델링하였다. 그리고 Top 코팅과 Bond 코팅 경계인 TGO는 열차폐코팅 제작 시 발생하는 열로 인해 0.1 ~ 0.6 μm 두께를 갖기 때문에 선행 연구[2,3,6]를 참고하여 두께 0.4 μm, 진폭 20 μm, 주기 60 μm를 갖는 Sine형상으로 모델링하였다.
- 1과 같이 TGO 경계면 sine 형상 중 1/4인 unit cell을 구성하였다. 그리고 해석 모델의 왼쪽 면에 x-symmetry, 오른쪽 면에 Coupling을 부여하고 왼쪽 면에 y축 대칭시켜 주기성을 갖는 기본 해석 모델을 구축하였다[3]. 해석 모델에 사용된 요소는 총 32,000개이고, 열전달과 열응력 해석은 각각 DC2D4 type, CPE4R type 요소로 설정하였다.
- 기공이 TGO 계면 열응력에 미치는 영향을 확인하기 위해 기공 분율과 형상에 따른 해석 모델을 구축하였다. Top 코팅에 존재하는 기공은 지름 0.
- 그리고 기공 형상은 원형뿐만 아니라 타원 형상으로도 존재한다고 알려져 있다[7,8]. 따라서 기공 분율에 대한 해석 모델에서 기공은 동일한 개수(193개)를 갖고, 지름의 크기 0 ~ 3.5 μm인 원형으로 모델링하였다. 또한 기공 형상에 대한 해석 모델에서 기공은 동일(193개) 개수를 갖고, 기공 1개당 면적이 4 μm2를 갖도록 모델링하였다.
- 13에 나타나듯 기공 분율이 증가할수록 기공과 TGO의 거리가 가까워졌으며, 이로 인해 TGO 계면에서 응력집중이 발생하여 최대 인장 응력을 증가한 것이다. 따라서 기공의 지름이 1.5 μm인 해석 모델에 대해 TGO와 기공의 거리를 변화시켜가며 해석을 수행하였다. 그 결과 Fig.
- 해석 모델에 실제 온도가 아닌 반실험적 방법(semi-empirical)을 통해 Top 코팅 475 ℃, Bond 코팅 475 ℃, TGO 450 ℃, 초내열합금 모재 600 ℃와 같은 온도 조건을 부여함으로써 해석 결과와 측정된 잔류응력이 유사함을 확인하였다[3,9]. 따라서 실제 열차폐코팅 시험편이 제작되는 상황을 모사하기 위해 동일한 온도를 해석 모델에 부여한 후 상온에서 1시간 동안 자연 냉각시켜 열전달 해석을 수행하였다.
- 등에 따르면 터빈 입구 온도가 1,350 ℃ 급인 터빈에서 열차폐코팅은 약 1,100 ℃의 온도에 노출된다고 알려져 있으며, 이 환경에서 열차폐코팅은 터빈의 가동 및 정지, 부하변동 시 발생하는 열피로에 의해 큰 데미지를 받는다. 따라서 열차폐코팅의 열피로 시험의 온도 조건[11]인 Top 코팅 표면에 상온 25℃에서 1,100 ℃까지 가열 15분, 1,100 ℃에서 25 ℃까지 냉각 5분을 자연 냉각 시킨 해석 모델에 부여하여 열전달 해석을 수행하였다.
- 3에서 냉각 시작 후 4 ~ 6초에서 발생하는 최대 압축 응력은 TGO를 굴곡지게 하고, 이로 인해 열팽창량 차이가 큰 TGO의 peak 부근에서 큰 열응력을 유발하여 열차폐코팅 파손을 조기에 발생시킨다[3]. 따라서 해석의 결과로 TGO 계면에서 균열을 형성 및 진전시키는 x 방향으로의 최대 인장 응력과 최대 압축 응력을 기준 응력으로 선정하였다.
- 5 μm인 원형으로 모델링하였다. 또한 기공 형상에 대한 해석 모델에서 기공은 동일(193개) 개수를 갖고, 기공 1개당 면적이 4 μm2를 갖도록 모델링하였다. 그리고 Fig.
- 수직균열이 TGO 계면 열응력에 미치는 영향을 확인하기 위해 수직균열의 간격과 깊이 비율에 따른 해석 모델을 구축하였다. 수직균열은 Top 코팅 표면에서 시작되도록 해석 모델을 구축하고, 수직균열의 간격과 깊이는 APS 공정으로 구현 가능한 범위를 선정하여 수직균열 간격은 100 ~ 400 μm이고, 수직균열의 깊이 비율(Crack length ratio, 균열깊이 / Top 코팅 두께 × 100 %)은 Top 코팅 두께의 20 ~ 80 %를 갖도록 하였다. 수직균열의 폭은 매우 얇다고 가정하여 해석 모델에서 Crack 조건을 부여하였으며, 수직 균열에 대한 해석 모델의 세부 수치를 Table 4에 정리하였다.
- 수직균열이 TGO 계면 열응력에 미치는 영향을 확인하기 위해 수직균열의 간격과 깊이 비율에 따른 해석 모델을 구축하였다. 수직균열은 Top 코팅 표면에서 시작되도록 해석 모델을 구축하고, 수직균열의 간격과 깊이는 APS 공정으로 구현 가능한 범위를 선정하여 수직균열 간격은 100 ~ 400 μm이고, 수직균열의 깊이 비율(Crack length ratio, 균열깊이 / Top 코팅 두께 × 100 %)은 Top 코팅 두께의 20 ~ 80 %를 갖도록 하였다.
- 코팅 두께가 TGO 열응력에 미치는 영향을 확인하기 위해 Top 코팅과 Bond 코팅의 두께 변화에 따른 해석 모델을 구축하였다. 이 때, 1단 터빈 블레이드에 적용되는 실제 열차폐코팅의 두께를 참고하여 Table 2와 같이 Bond 코팅 두께를 150 μm로 고정하고 Top 코팅 두께를 100 ~ 600 μm 변화시킨 모델 및 Top 코팅 두께를 300 μm로 고정하고 Bond 코팅 두께를 50 ~ 450 μm 변화시킨 해석 모델을 구축하였다.
- 구축한 기본 해석 모델을 기반으로 미세구조에 따른 해석 모델을 각각 구축하였다. 코팅 두께가 TGO 열응력에 미치는 영향을 확인하기 위해 Top 코팅과 Bond 코팅의 두께 변화에 따른 해석 모델을 구축하였다. 이 때, 1단 터빈 블레이드에 적용되는 실제 열차폐코팅의 두께를 참고하여 Table 2와 같이 Bond 코팅 두께를 150 μm로 고정하고 Top 코팅 두께를 100 ~ 600 μm 변화시킨 모델 및 Top 코팅 두께를 300 μm로 고정하고 Bond 코팅 두께를 50 ~ 450 μm 변화시킨 해석 모델을 구축하였다.
- 1과 같이 2차원으로 모델링하였으며, 각 층의 물성은 Table 1에 정리하였다. 해석 모델은 Top 코팅, TGO, Bond 코팅, 초내열합금 모재 총 4개 층으로 구현하였으며, 각 층의 경계면은 실제 열차폐코팅의 단면을 분석하여 Bond 코팅과 초내열합금 경계는 직선으로 모델링하였다. 그리고 Top 코팅과 Bond 코팅 경계인 TGO는 열차폐코팅 제작 시 발생하는 열로 인해 0.
대상 데이터
- 유한요소해석 모델은 선행 연구[6]에 사용된 코인형 시험편을 참고하여 Fig. 1과 같이 2차원으로 모델링하였으며, 각 층의 물성은 Table 1에 정리하였다. 해석 모델은 Top 코팅, TGO, Bond 코팅, 초내열합금 모재 총 4개 층으로 구현하였으며, 각 층의 경계면은 실제 열차폐코팅의 단면을 분석하여 Bond 코팅과 초내열합금 경계는 직선으로 모델링하였다.
- 그리고 해석 모델의 왼쪽 면에 x-symmetry, 오른쪽 면에 Coupling을 부여하고 왼쪽 면에 y축 대칭시켜 주기성을 갖는 기본 해석 모델을 구축하였다[3]. 해석 모델에 사용된 요소는 총 32,000개이고, 열전달과 열응력 해석은 각각 DC2D4 type, CPE4R type 요소로 설정하였다.
- 해석 모델에 주기성을 부여하기 위해 층간 경계면의 형상을 고려하여 Fig. 1과 같이 TGO 경계면 sine 형상 중 1/4인 unit cell을 구성하였다. 그리고 해석 모델의 왼쪽 면에 x-symmetry, 오른쪽 면에 Coupling을 부여하고 왼쪽 면에 y축 대칭시켜 주기성을 갖는 기본 해석 모델을 구축하였다[3].
데이터처리
- 열응력 해석은 열전달 해석을 통해 얻은 온도 분포와 구속 조건을 해석 모델에 적용하여 응력 분포 결과를 얻고 TGO에서 발생하는 x 방향 응력을 구하였다. 최종적으로 열차폐코팅의 제작 및 열피로 시험에 의해 발생하는 열차폐코팅 내부 온도변화 및 응력변화를 Fig.
성능/효과
- Fig. 7과 같이 기공 분율이 증가할수록 열차폐성능은 향상되기 때문에 최대 인장 응력이 감소해야 되지만, 열응력은 증가하는 경향을 보였다. 이는 Fig.
- Top 코팅 두께에 따른 압축 응력은 100 ~ 400 μm까지 일정하며, Top 코팅 두께가 400 μm 이상일 때 압축응력이 증가함을 확인하였다. 따라서 Top 코팅이 일정 두께 이상일 때 TGO 굴곡 형성에 영향을 미치지만, 압축 응력의 변화량이 인장 응력 변화량보다 작기 때문에 굴곡 형성으로 인한 인장 응력의 변화는 작다.
- 5 μm인 해석 모델에 대해 TGO와 기공의 거리를 변화시켜가며 해석을 수행하였다. 그 결과 Fig. 14와 같이 기공과 TGO의 최단거리가 증가할수록 최대 인장 응력이 감소하였으며, 최단거리가 5.3 μm 이상일 때 응력집중이 발생하지 않음을 확인하였다. 따라서 기공을 TGO로부터 10 μm 떨어뜨린 후 기공 분율에 대한 열응력 해석을 수행한 결과, Fig.
- 이는 장단비가 클수록(기공이 x 방향으로 길어짐) 열 유동을 방해 효과가 더 커지기 때문이다[4,7]. 그러나 열응력 해석 결과 Fig. 10과 같이 장단비가 1보다 작은 영역에서 장단비가 커질수록 인장 응력이 급격하게 감소함을 확인하였으며, 장단비가 1보다 큰 영역에서 인장 응력은 거의 변하지 않는다. 이는 Fig.
- 이는 기공 분율이 증가할수록 기공이 열 유속의 길이를 증가시켜 열 흐름을 방해한다는 이론과[4]과 동일한 결과이다. 그러나 열응력 해석 결과 Fig. 8과 같이 기공 분율이 증가할수록 최대 인장 응력도 증가하는 경향이 나타났다. 따라서 기공 분율이 5 % 증가할수록 열차폐성능은 6℃향상되지만, 인장 응력은 약 1 % 씩 증가한다.
- Top 코팅 두께에 따른 해석 결과 모든 해석 모델에서 최대 인장 응력은 TGO의 peak 부분에서 발생하였다. 그리고 Fig. 4와 같이 Top 코팅의 두께가 증가함에 따라 Top 코팅 표면과 모재 표면의 온도차가 증가하였으며, 이로부터 Top 코팅 두께가 증가할수록 열을 차단해주는 열차폐성능이 향상되는 것을 확인하였다. Fig.
- 1에서 언급한 바와 같이 열차폐성능이 향상되면 TGO 계면 온도가 낮아짐으로써 열응력이 감소한다는 결과와 반대 경향으로 나타났다. 기공 분율에 따른 압축 응력은 일정하며, 이를 통해 기공 분율은 굴곡 형성에 영향을 미치지 않음을 확인하였다.
- 또한 수직균열 간격이 100 ~ 200 μm 범위에서 수직균열 깊이 비율이 커질수록 압축 응력이 감소하였는데, 이는 수직균열 깊이 비율이 커질수록 열변형이 발생할 때 변형에 대한 수용성이 더 커지기 때문이다. 따라서 TGO 계면에서 발생하는 열응력을 최소화 할 수 있는 수직균열 조건은 수직균열 간격이 100 ~ 200 μm, 수직균열 깊이 비율이 Top 코팅 두께의 60 ~ 80 %임을 도출하였다. 이 범위는 송현우 연구자가 수직균열에 대한 해석 및 열피로 시험을 통해 최적의 수직균열 조건인 균열 간격 100 ~ 200 μm, 균열 깊이 비율 20 ~ 80 %와 일치하는 결과이다[16].
- 5는 Top 코팅 두께에 따른 열응력 해석 결과로, Top 코팅 두께가 증가함에 따라 최대 인장 응력은 감소하였다. 따라서 Top 코팅의 두께가 100 μm 증가할수록 열차폐 성능이 16 ℃ 향상되고, 이로 인한 인장 응력은 약 3 %씩 감소함을 확인하였다. 이 현상이 나타나는 이유는 복합재료 계면에서 발생하는 열응력 식으로 설명된다.
- 8과 같이 기공 분율이 증가할수록 최대 인장 응력도 증가하는 경향이 나타났다. 따라서 기공 분율이 5 % 증가할수록 열차폐성능은 6℃향상되지만, 인장 응력은 약 1 % 씩 증가한다. 이는 3.
- 3 μm 이상일 때 응력집중이 발생하지 않음을 확인하였다. 따라서 기공을 TGO로부터 10 μm 떨어뜨린 후 기공 분율에 대한 열응력 해석을 수행한 결과, Fig. 15와 같이 기공 분율이 증가함에 따라 열응력이 감소하는 경향을 보였다. 따라서 Top 코팅 분사 시 적층 초반에 크기가 작은 입자를 사용하여 TGO와 가까운 기공 분율을 줄이고, 이후 적층 시 큰 입자를 사용하여 기공 분율을 높이면 TGO 계면 열응력을 낮출 수 있다.
- Top 코팅에 존재하는 수직균열은 열차폐성능에 영향을 미치지 않고 압축 응력을 감소시킴으로써 TGO의 굴곡을 완만하게 만드는 역할을 한다. 따라서 해석 결과로 압축 응력만 도출하였으며, 그 결과 Fig. 12와 같이 수직균열이 존재하게 되면 수직균열이 없을 때보다 압축 응력이 작게 나타났다. 수직균열 간격에 해석 결과 수직균열 간격이 좁아질수록 압축 응력을 줄어드는 경향을 보였으며, 특히 균열 간격이 100 ~ 200 μm 범위에서 압축 응력이 가장 작음을 확인하였다.
- 12와 같이 수직균열이 존재하게 되면 수직균열이 없을 때보다 압축 응력이 작게 나타났다. 수직균열 간격에 해석 결과 수직균열 간격이 좁아질수록 압축 응력을 줄어드는 경향을 보였으며, 특히 균열 간격이 100 ~ 200 μm 범위에서 압축 응력이 가장 작음을 확인하였다. 수직균열 깊이 비율에 따른 해석 결과 수직균열 간격에 따라 경향이 다르게 나타났지만, 수직균열 간격이 100 ~ 200 μm 범위에서 수직균열 깊이 비율이 Top 코팅 두께의 60 ~ 80 %일 때 압축 응력이 가장 작게 나타났다.
- 수직균열 간격에 해석 결과 수직균열 간격이 좁아질수록 압축 응력을 줄어드는 경향을 보였으며, 특히 균열 간격이 100 ~ 200 μm 범위에서 압축 응력이 가장 작음을 확인하였다. 수직균열 깊이 비율에 따른 해석 결과 수직균열 간격에 따라 경향이 다르게 나타났지만, 수직균열 간격이 100 ~ 200 μm 범위에서 수직균열 깊이 비율이 Top 코팅 두께의 60 ~ 80 %일 때 압축 응력이 가장 작게 나타났다. 따라서 수직균열이 존재하면 Top 코팅에 큰 컴플라이언스를 제공함으로써 Top 코팅과 TGO의 열팽창량 차이를 감소시켜 압축 응력을 감소시키는 것을 확인하였다[3,12].
- 유한요소해석 결과 Fig. 12에 나타나듯 수직균열 간격이 좁아질수록 압축 응력이 감소하는 경향을 보였다. 이는 수직균열 간격이 좁을수록 열변형에 대한 컴플라이언스를 더 많이 제공하기 때문이다[3].
- 해석 결과 Fig. 7과 같이 기공 분율이 증가할수록 열차폐성능이 증가함을 확인하였다. 이는 기공 분율이 증가할수록 기공이 열 유속의 길이를 증가시켜 열 흐름을 방해한다는 이론과[4]과 동일한 결과이다.
- Ng 등은 열차폐코팅이 제작된 이후 발생하는 잔류응력을 측정한 후 이를 해석적으로 모사하는 연구를 수행하였다. 해석 모델에 실제 온도가 아닌 반실험적 방법(semi-empirical)을 통해 Top 코팅 475 ℃, Bond 코팅 475 ℃, TGO 450 ℃, 초내열합금 모재 600 ℃와 같은 온도 조건을 부여함으로써 해석 결과와 측정된 잔류응력이 유사함을 확인하였다[3,9]. 따라서 실제 열차폐코팅 시험편이 제작되는 상황을 모사하기 위해 동일한 온도를 해석 모델에 부여한 후 상온에서 1시간 동안 자연 냉각시켜 열전달 해석을 수행하였다.
후속연구
- 이 열응력은 열차폐코팅 파손을 유발하는 주요 원인[2,3]으로, 열차폐코팅 파손이 발생하면 핵심 부품이 열화 및 손상되어 항공기 및 발전 시스템 작동 위험을 초래한다. 따라서 TGO 계면에서 발생하는 열응력을 감소시킴으로써 열차폐코팅의 내구성을 향상시키고 부품 파손의 위험성을 낮출 수 있는 연구가 필요하다.
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