[논문]용사 열차폐 코팅층의 두께가 열응력에 미치는 영향

김형남; 양승한

[국내논문] 용사 열차폐 코팅층의 두께가 열응력에 미치는 영향
A Study on the Effects of the Thickness of Top Coat on the Thermal Stresses of a Sprayed Thermal Barrier Coating 원문보기

김형남 (한국전력공사 전력연구원) , 양승한 (한국전력공사 전력연구원)

Based on the principle of complementary energy an analytical method is developed for determining thermal stress distribution in an thermal barrier coating. This method gives the stress distributions which satisfy the stress-free boundary conditions at the edge. Numerical examples are given in order to verify the method and to investigate the thickness effects of the ZrO$_2$-8wt%Y$_2$O$_3$ top coat on the integrity of thermal barrier coating consisted of IN738LC substrate and MCrAlY bond coat.

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문제 정의

변분법을 이용하였다. 그의 연구는 끝단 효과(Erd-Effects)에 중점을 두어 겹충보의 자유단에서 경계조건을 만족하는 응력을 구하는데 중점을 두었다.
본 논문에서는 열하중을 받는 서로 다른 물질로 이루어진 3층 보의 평형 방정식과 자유단에서의 응력조건을 포함한 모든 경계조건을 만족하고 Complementary Energy 법을 통하여 간접적으로 Compatibility Equation을 만족하는 응력분포를 구할 수 있는 방법을 제시하고 IN₇₃8LC 모재에 MCrAlY 접착충 및 ZrO₂-8wt%Y₂O₃ 세라믹층을 코팅시킨 전형적인 열차펴i 코팅에 대하여 열차폐층의 두께에 따른 열응력을 검토하였다.
열차폐층의 두께가 온도 변화에 의한 열차폐코팅의 건전성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 IN738LC 모재에 MCrAlY 접착충 및 ZrO2-8wt%Y2O3 세라믹층을 코팅시킨 전형적인 열차폐코팅에 대한 열응력을 검토하였다. 여기에서 사용된 각 층의 두께 및 기계적 성질은 Table 1과 같다.

가설 설정

1. 접착층에 큰 압축응력이 발생한다.
2. 열차폐층 자체에는 작은 인장응력이 작용한다.
3. 박리 가능성이 커진다.

제안 방법

Suhir^(2,3)는 Timoshenko⁽⁴⁾의 바이메탈 이론을 발전시켜 유한 길이의 바이메탈을 두 개의 독립된 보로 취급하여 경계에서 응력과 변위를 일치시키는 방법으로 경계면에서의 응력을 구하였다. Razaqpur⁽⁵⁾와 Suhir⁽⁶⁾ 자신에 의해 지적된 것처럼 그의 첫 번째 연구는 자유단에서의 응력 조건을 만족시키지 못했지만 두 번째 연구에서는 이를 보완한 연구결과를 내놓았다.
모재, 접합층, 열차폐층을 가진 전형적인 열차폐코팅에 대하여 평형방정식과 경계조건을 만족하고 기하학적 적합 조건은 Complementary 에너지법에 근거하여 우회적으로 만족하는 열 응력 분포를 계산할 수 있는 방법을 소개하고 내열 합금인 IN738LC 모재에 MCrAlY 접착층 및 ZrO2-8wt%Y2O3 열차폐충을 가진 전형적인 열차폐코팅에 대하여 온도가 상승할 경우 열차폐층의 두께에 따른 열응력을 검토하였다. 열차폐코팅을 제작할 때 생기는 잔류응력을 무시하면 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.

이론/모형

Suhir^(2,3)는 Timoshenko⁽⁴⁾의 바이메탈 이론을 발전시켜 유한 길이의 바이메탈을 두 개의 독립된 보로 취급하여 경계에서 응력과 변위를 일치시키는 방법으로 경계면에서의 응력을 구하였다. Razaqpur⁽⁵⁾와 Suhir⁽⁶⁾ 자신에 의해 지적된 것처럼 그의 첫 번째 연구는 자유단에서의 응력 조건을 만족시키지 못했지만 두 번째 연구에서는 이를 보완한 연구결과를 내놓았다.
겹층보의 경계면을 따라 작용하는 열응력을 구하기 위하여 Yin^(7,8)은 Stress Function 을 이용한 변분법을 이용하였다. 그의 연구는 끝단 효과(Erd-Effects)에 중점을 두어 겹충보의 자유단에서 경계조건을 만족하는 응력을 구하는데 중점을 두었다.

성능/효과

본 논문에서 소개된 방법으로 구해진 응력분포는 각 충에서 평형방정식과 모든 경계에서 "Traction-Free" 조건, 각 충간 경계면에서 수직 및 전단 응력의 연속 조건, 변형율에 대한 기하학적 적합 조건 및 충간 경계면에서의 변위의 연속성은을 만족하고 있다.

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