열기계 피로 - ASTM E2368 및 ISO 12111
예를 들어, 가스 터빈이나 연소 엔진의 열적 및 기계적 반복 하중을 동시에 받는 부품의 설계와 시공을 위해 기존 작동 조건에서 피로 수명 및 반복 변형 거동을 예측할 수 있는, 신뢰할 수 있는 물성값을 확인할 수 있어야 합니다. 열기계 피로 (TMF)를 측정하기 위해서는 반복적인 열적 및 기계적 하중의 동상 및 역상 조합을 통해 필요한 재료 특성을 규정해야 합니다.
TMF 시험은 다음과 같은 특정 규격에 설명되어 있습니다. ASTM E2368, ISO 12111, 변위 제어 열기계 피로 시험용 검증된 행동 규약
열기계 피로란?
발전기와 항공기 터빈은 장기적인 작동 중의 안정성 외에도 단기 하중 변화와 시동-중단 절차에 대한 저항성도 충분히 높아야 합니다. 열기계 피로 (TMF)는 재료의 열팽창으로 인한 기계적 하중을 시뮬레이션한 것입니다. 시동하는 동안에는 모든 부품의 온도가 실온에서 작동 온도로 올라가며, 재료의 팽창도 동반합니다. 이러한 팽창은 재료에 응력을 발생시키며, 이는 부품 손상을 방지하기 위해 정확하게 측정해야 합니다. 세라믹 열차폐 코팅을 한 터빈 날개와 같은 합성물 부품의 경우, 금속 및 세라믹 합성물 사이의 열적 불일치로 인해 설계 시 고려해야 하는 또 다른 하중 요소가 발생합니다. 또한 점착 산화 코팅은 작동 중 피로 수명에도 영향을 미칩니다.
ASTM E2368 및 ISO 12111에 따른 TMF 시험 수행
ASTM E2368 및 ISO 12111에 따라 열기계 피로를 측정할 때 시편은 반복적으로 가열되고, 기계적 동상 및 역상 (반상) 변형을 통해 동시에 하중이 가해집니다. 시험 대상인 손상 메커니즘에 따라 온도 및 기계적 변위 순서를 다르게 매개변수화할 수 있습니다. 곡선은 대개 삼각형이고, 홀드 시간을 최고 온도 같은 곳에 추가할 수 있습니다. 또한, 온도와 변위를 동상 및 역상으로 적용할 수 있습니다. 반복적인 열적 하중과 기계적 하중 사이의 이러한 위상 변화는 피로 수명은 물론 재료의 소성 변형에도 큰 영향을 미칩니다.
가장 일반적인 TMF 시험 (위상 변형의 유무에 관계없이)은 다음과 같습니다.
- IP (동상): 가열을 통한 열변위와 인장력으로 인한 기계적 변형이 시편에 동시에 일어납니다.
- OP (역상): 가열을 통한 열변위와 압축력으로 인한 압축이 시편에 동시에 일어납니다.
- CD (시계방향 다이아몬드상)
- CCD (반시계방향 다이아몬드상)
부품에 작용하는 하중은 열변위가 방해를 받아 발생하는 것이기 때문에 TMF 시험은 주로 변위 제어 방식으로 수행됩니다. 노치 베이스의 변위를 측정할 수 없기 때문에 응력 제어 시험은 균일하지 않은 시편 (예: 노치)과 관련될 때가 있습니다. 두 경우 모두 총변위 (εt)만 측정 및 제어할 수 있습니다. 이는 열변위 (εth) 및 기계적 변위 (εme)로 이루어져 있으며, 계산 공식은 εt = εth + εme입니다. 시편에 열변위 외에 원하는 기계적 변위를 가하기 위해 정해진 온도상의 열변위를 시간 기반으로 미리 측정하고, 실제 시험 중에 총변위를 제어할 때 이를 고려합니다.
매 TMF 시험 전 영률 측정
변위 제어 열기계 피로 시험을 위한 검증된 행동 규약은 TMF 시험을 할 때마다 먼저 실온, 최저 온도, 최고 온도에서 영률(Young’s modulus)을 측정하고 추가적으로 평균 온도값을 최소 한 번 측정할 것을 권고합니다. ASTM E2368 및 ISO 12111 규약에서도 열 사이클의 최소, 평균 및 최대 온도에서 영률을 측정하도록 규정하고 있습니다.
영률을 측정한 후 참조 데이터베이스와 비교하면 힘, 변위, 온도의 정확한 제어값과 측정값을 확인할 수 있습니다. 측정값이 공차 한계인 최소 및 최대 하중의 예상 응력 범위의 최대 5% 안에 들면 시험이 올바르게 시행된 것으로 확신할 수 있습니다.
ASTM E2368 및 ISO 12111에 따른 변위 측정
ASTM E2368에서는 ASTM E83에 따라 정확도가 B-2 이상을 충족하는 신율계를 사용하도록 규정하고 있습니다. ISO 12111 및 검증된 행동 규약은 ISO 9513에 따라 정확도가 1 이상을 충족하는 신율계를 사용하도록 명시하고 있습니다. 표점 거리가 15mm 미만인 시편에는 ISO 9513에 따라 정확도가 0.5인 신율계를 사용해야 합니다.
열기계 피로 시험의 추가 변위 측정 요건:
- 신율계는 최소 드리프트, 미끄러짐, 이력을 보장하는 동시에 장시간 동적 변위 측정에 적합해야 합니다.
- 신율계는 수 냉각기 같은 능동형 냉각 시스템 사용으로 인한 열 변동이나 영향을 받지 않도록 보호해야 합니다.
- 시편에 대한 신율계의 접촉 압력은 시편 표면을 손상시키지 않고 가능한 한 낮게 유지해야 합니다.
- 신율계는 시편이 가열되거나 팽창될 때 변위 측정이 어려워지거나 센서 암이 시편에서 미끄러져 빠지지 않도록 장착해야 합니다.
열기계 피로 측정용 시험 시스템
Fürstenfeld ZwickRoell은 카를스루에공과대학교 (KIT)와의 긴밀한 협력을 통해 열기계 피로 시험을 위한 새로운 전자기계 시험 시스템을 개발했습니다. Kappa 100 SS-CF에는 온도 범위가 50°C부터 최고 1,200°C인 유도 가열 시스템과 공기 냉각 시스템이 장착되어 있었습니다. 백래시 없는 영교차가 특징인 이 전자 크리프 시험기는 수년간 저주파 부하 사이클 시험에서 그 성능을 입증했습니다. Kappa SS-CF는 ASTM E2368 및 ISO 12111에 명시된 대로 인장 및 압축 하중을 반복적으로 가하면서 제로 백래시를 제어합니다.
이 시험기에는 시편을 단단히 고정하기 위해 수냉식 유압 그립이 장착되어 있습니다. 수냉각을 통해 시편의 온도를 빠르게 안정화하고 시편 끝에서 열을 직접 배출할 수 있습니다. 세라믹 센서 암과 수냉 시스템이 장착된 접촉식 신율계를 이용하면 TMF 시험 중 변위 측정의 신뢰성이 보장됩니다.
이 열기계 피로 측정용 시험 시스템은 일반적으로 사용되는 ASTM E2368 및 ISO 12111 규격은 물론, 변위 제어 열기계 피로 시험을 위한 검증된 행동 규약의 모든 요건을 충족합니다.
TMF 시험에 사용되는 부품을 서보 유압식 시험기에 설치할 수도 있습니다.
TMF 시험을 위한 최적의 온도 분포
변위 제어 열기계 피로 시험을 위한 검증된 행동 규약에 따라 측정된 시편 구역의 지정된 설정값의 온도 편차는 10K 미만, 온도 차는 ±2% 미만이어야 합니다. 시편 형태 및 소재에 따라 최대 25K의 가열 및 냉각 속도를 사용할 수 있습니다. 규격에 명시된 최대 가열 및 냉각 속도에 도달하기 위해 TMF 시험을 수행할 때 유도 가열 시스템과 특수하게 배열된 냉각 제트를 사용합니다.
화력을 개별적으로 조절할 수 있는 유도 가열 시스템을 사용하면 전기 전도도가 다양한 시편 재료를 시험할 수 있습니다. 시편 관련 인덕터를 통해 최적의 시편 온도 분포를 보장합니다. 비례식 압력 제어 밸브와 대칭으로 배열된 4개의 평면 스프레이 노즐이 장착되어 있어 기류를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 냉각 노즐은 조절식이며, 향후 시험을 위해 위치를 재현할 수 있습니다.
온도는 리본 열전대를 통해 ASTM E2368과 ISO 12111에 따라 시편에서 직접 제어됩니다. 측정된 시편 구역의 중앙에 쉽고 안정적으로 부착됩니다. 조절형 용수철 프리텐셔닝을 통해 신뢰할 수 있는 접촉 압력을 보장합니다.