KR20100108777A - 열피로 시험방법 및 시험장치 - Google Patents

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백운규
이기성
이재현
정성일
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창원대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 열피로 시험방법 및 시험장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 열피로 시험장치는, 시편에 대해서 고온 환경을 반복적으로 제공하여 시편의 열피로 특성을 시험하는 열피로 시험장치로서, 상기 시편이 장착되며, 상기 시편의 하부를 노출시키는 홀이 형성된 시편 홀더; 상기 홀을 통해 노출된 상기 시편의 하부에 냉각가스를 분사하는 냉각가스 분사노즐; 상기 시편이 유입 또는 인출되는 시험공간이 형성되며, 상기 시편의 상부를 가열하는 가열로; 및 각각 상기 시편의 상부 및 하부의 온도를 측정하는 제1 및 제2 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 열피로 시험방법 및 시험장치에 따르면, 시편의 상부만을 가열하여 열피로를 가하고 시편의 하부는 냉각시켜 시편 상부 및 하부에 온도구배를 줌으로써 고온부품이 실제 운전되는 환경과 유사한 조건에서 열피로 특성을 시험할 수 있다. 아울러, 가열로의 온도 및 냉각가스의 유량을 조절함으로써 시편에 따라 최대 온도구배를 증감시킬 수 있다.
열피로, 시편 홀더, 냉각가스 분사노즐, 가열로, 온도센서, 이송부

Description

열피로 시험방법 및 시험장치{APPARATUS AND METHOD FOR TESTING THERMAL FATIGUE PROPERTIES}
본 발명은 시편에 대하여 고온 환경을 반복적으로 제공하여 시편의 열피로 특성을 시험하는 열피로 시험방법 및 시험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시편의 상부 및 하부에 온도구배를 주어 고온부품이 실제 운전되는 환경과 유사한 조건에서 열피로 특성을 시험할 수 있는 열피로 시험방법 및 시험장치에 관한 것이다.
열피로 시험장치란 시편에 대해서 고온 환경을 반복적으로 제공하여 시편의 열피로 특성을 시험하는 장치를 말한다. 일반적으로, 열피로 시험장치는 가스터빈 발전과 같이 1100℃ 이상의 고온 환경에 의해서 가열되거나 상온으로의 냉각을 반복적으로 경험하게 되는 재료에 대해서 열피로 특성을 시험한다.
가스터빈 발전의 경우 1,100℃ 이상에서 운전되는데 고온부품은 고온, 고압의 연소가스에 노출되며, 분당 3,600회에 의해 기계적인 응력도 받게 된다. 또한 기동 정지를 반복하기 때문에 가열 냉각이 반복되어 재료의 특성이 저하된다. 이를 방지하기 위하여 고온부품에다 단열 코팅을 하게 되는데 코팅을 하였을 때 특성의 변화를 관찰하기 위하여 열피로 시험을 한다.
열피로 시험장치는 크게 두가지 방식으로 분류되는데, 하나는 열원으로 레이저나 화염을 이용하여 시험편에 직접적으로 가열하는 직접가열방식에 의한 것이고, 다른 하나는 가열로 내부에 시험편을 위치시켜 간접적으로 가열하는 간접가열방식에 의한 것이다. 직접가열방식은 제작비용이 고가이며 연소가스와 시험편의 온도를 측정할 수 있는 적외선 카메라 등이 별도로 필요하다는 단점이 있기 때문에 일반적으로는 가열로를 이용한 간접가열방식이 널리 사용되고 있다.
종래 고온부품에 대한 열피로 시험은 실험실에서 열피로 시험기 등을 이용하여 고온으로 유지시킨 로에서 시편을 넣고 빼고 하는 형태였다. 그러나 고온부품에 단열 코팅을 할 경우, 표면에 열이 닿는 온도와 아래 금속기지에서의 온도는 금속기지 측에 강제냉각 또는 자연냉각에 따라 온도 차이가 나타나게 된다. 종래의 열피로 시험에서는 고온부품 전체에 열이 전달되어 균일한 온도에서 열피로가 수행되게 됨에 따라, 실제 열피로에서 요구되는 고온부와 저온부의 발현이 어렵게 된다. 실제로, 가스터빈의 연소기 부분에서는 가스터빈이 1350℃로 운전 시에는 코팅층의 표면온도가 1000~1100℃에 도달하게 되며, 고온부품의 냉각부분에서는 850~950℃에 도달하게 되어, 150℃ 가량의 온도차이가 발생한다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 시편의 상부를 가열시킴과 동시에 냉각가스를 이용하여 시편의 하부를 냉각시킴으로써 고온부품이 실제 운전되는 환경과 유사한 조건에서 열피로 특성을 시험할 수 있는 열피로 시험방법 및 시험장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 시편에 대해서 고온 환경을 반복적으로 제공하여 시편의 열피로 특성을 시험하는 열피로 시험방법에 있어서, 상기 시편의 상부를 가열로에서 가열하고, 상기 시편의 하부에 냉각가스를 분사하여 냉각함으로써, 상기 시편의 상부 및 하부에 온도구배를 형성하여 실제 환경과 유사한 조건에서 상기 시편의 열피로 특성을 시험하는 것을 특징으로 하는 열피로 시험방법을 제공한다.
상기 열피로 시험방법은, 상기 냉각가스의 유량을 조절하여 상기 시편 하부의 온도를 증감시킬 수 있다.
본 발명은 또한, 시편에 대해서 고온 환경을 반복적으로 제공하여 시편의 열피로 특성을 시험하는 열피로 시험장치에 있어서, 상기 시편이 장착되며, 상기 시편의 하부를 노출시키는 홀이 형성된 시편 홀더; 상기 홀을 통해 노출된 상기 시편의 하부에 냉각가스를 분사하는 냉각가스 분사노즐; 상기 시편이 유입 또는 인출되 는 시험공간이 형성되며, 상기 시편의 상부를 가열하는 가열로; 및 각각 상기 시편의 상부 및 하부의 온도를 측정하는 제1 및 제2 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 열피로 시험장치를 제공한다.
상기 냉각가스 분사노즐은 분사되는 냉각가스의 유량을 조절하여 상기 시편 하부의 온도를 증감시킬 수 있다.
상기 열피로 시험장치는, 상기 시편 홀더를 상하로 이송시켜 상기 시편을 상기 가열로의 시험공간으로 유입 또는 인출시키는 이송부을 포함할 수 있다.
상기 열피로 시험장치는, 상기 냉각가스 분사노즐을 에워싸며 상기 냉각가스 분사노즐을 보호하고, 상기 냉각가스 분사노즐에서 분사된 냉각가스의 배출 통로를 제공하는 보호관을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 열피로 시험방법 및 시험장치에 따르면, 시편의 상부만을 가열하여 열피로를 가하고 시편의 하부는 냉각시킴으로써 시편 상부 및 하부에 온도구배를 줌으로써 고온부품이 실제 운전되는 환경과 유사한 조건에서 열피로 특성을 시험할 수 있다.
아울러, 가열로의 온도 및 냉각가스의 유량을 조절함으로써 시편에 따라 최대 온도구배를 증감시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.
본 발명의 열피로 시험방법은, 시편의 상부는 가열로에서 가열하고 시편의 하부는 냉각가스를 분사하여 냉각함으로써, 시편의 상부 및 하부에 온도구배를 형성한다. 종래의 열피로 시험에서는 고온부품 전체에 열이 전달되어 균일한 온도에서 열피로가 수행되게 됨에 따라 실제 운전환경에서와 같이 고온부와 저온부의 발현 없이 시험이 진행되었다. 그러나, 본 발명의 열피로 시험방법에서는 이처럼 시편의 상부 및 하부에 온도구배를 형성함으로써, 고온부품의 실제 운전 환경과 유사한 조건에서 열피로 특성을 시험할 수 있다.
이하, 본 발명의 열피로 시험방법을 구현할 수 있는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열피로 시험장치를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열피로 시험장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열피로 시험장치는 시편 홀더(140), 가열로, 냉각가스 분사노즐(190), 보호관(170), 제1 및 제2 온도센 서(180), 단열부(130), 제어부를 포함한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시편 홀더(140)의 평면도 및 단면도이며, 도 2c는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 시편 홀더(140)의 평면도이다.
시편 홀더(140)는, 열피로 시험의 대상이 되는 시편(160)이 장착되는 부분으로, 시편(160)이 안착되는 시편 안착부(141)가 형성되고, 아래로 받침턱(141a)이 형성되어 시편(160)을 지지한다. 또한, 시편 안착부(141)에는 바닥에 홀이 형성되어 이를 통해 시편(160)의 하부가 노출된다.
시편 홀더(140)에는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 하나의 시편(160)을 시험할 수 있도록 하나의 시편 안착부(141)가 형성될 수 있을 뿐만 아니라, 도 2c에 도시된 바와 같이 다수의 시편 안착부(141)가 형성되어 한꺼번에 다수의 시편(160)에 대한 열피로 시험을 수행할 수 있다.
가열로(110)에는 시편(160)이 유입 또는 인출되는 시험공간이 형성되며, MoSi2, SiC 등으로 형성된 발열체가 설치되어 시험공간에 유입된 시편(160)을 가열한다. 실제 운전 환경을 고려할 때 가열로(110)는 시편(160) 상부의 온도를 1600 ℃ 까지 증가시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가열로 내부의 구조를 보인 사진이다. 본 실시예에 있어서, 가열로(110)의 발열체는 예를 들어 U자형의 발열체(MoSi2 발열체)가 사용되었으며, 각 면에 2개씩 총 8개가 장착되었다. 가열로 내부의 온도센서 는 정 중앙에 위치하도록 설계되어졌다. 따라서 시편 상부의 온도는 실제 가열로 내부의 온도보다는 낮게 나타남으로 시편 상부의 온도는 가열로 내부의 온도를 조절하여 제어하도록 설계되어졌다.
냉각가스 분사노즐(190)은 일측 끝단이 시편(160) 하부와 1 mm내의 간격을 갖도록 배치되어, 가스 공급부로부터 공급된 냉각가스를 시편(160) 하부에 분사한다. 냉각가스 분사노즐(190)에는 예를 들어 상온의 질소 또는 공기 공급기가 연결되어 냉각가스를 공급할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니다.
냉각가스 분사노즐(190)은 분사되는 냉각가스의 유량을 조절하여 시편(160) 하부의 온도를 조절한다. 냉각가스의 유량은 20 ℓ/min 까지 증가시켜 시편(160) 상부의 온도와 하부 온도의 편차를 최대 300 ℃ 이상 까지 형성할 수 있다. 물론, 필요에 따라 유량을 더욱 증가시켜 온도 편차를 더 증가시킬 수도 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열피로 시험장치에서 보호관(170), 냉각가스 분사노즐(190) 및 제2 온도센서(180)가 결합된 상태를 보인 평면도 및 단면도이다.
보호관(170)은 냉각가스 분사노즐(190)을 에워싸 냉각가스 분사노즐(190) 및 제2 온도센서(180)를 보호함과 동시에 냉각가스 분사노즐(190)에서 분사된 냉각가스의 배출 통로를 제공한다. 보호관(170)의 일측 끝단은 시편 홀더(140)에 밀착되어, 냉각가스 분사노즐(190)에서 시편(160)으로 분사된 냉각가스가 타측 끝단을 통해 배출되도록 한다.
도 5는 냉각가스가 분사 및 배출되는 과정을 도식화한 도면이다. 도 5에 도 시된 바와 같이 냉각가스 분사노즐(190)에서 배출된 냉각가스는 시편(160)으로 분사된 후 보호관(170)을 따라 아래로 전달된 후 외부로 배출된다.
상기 제1 및 제2 온도센서(180)는 각각 시편(160) 상부 및 하부의 온도를 측정하는 장치로서, 제1 온도센서는 R 타입의 열전대이고, 제2 온도센서(180)는 K 타입 열전대로서 일측 끝단이 시편(160) 하부와 1 mm 내의 간격을 갖도록 보호관(170)의 내부에 길이 방향으로 배치된다. 제1 및 제2 온도센서(180)에서 측정된 시편(160) 상부 및 하부의 온도 정보는 후술할 제어부에 전달되며, 제어부에서는 측정된 온도와 목표 온도를 비교하여 가열로(110)의 온도 및 냉각가스의 배출 유량을 조절한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단열부(130)의 평면도 및 단면도이다.
단열부(130)는 열손실 방지를 위해 상기 보호관(170)을 에워싸 단열을 유지시킨다. 단열부(130)의 상단에는 받침턱(131a)이 마련되어 그 위에 형성된 공간(131)으로 상기 시편 홀더(140)가 안착된다. 가열로 (110)의 크기 및 단열부 (130)의 크기는 시편의 크기 및 장착 개수에 따라 조절이 가능하며, 단열부의 높이 및 형상에 대한 제한은 없다.
한편, 단열부(130)가 안착되는 공간이 형성된 브래킷(120)이 구비되어, 상기 단열부(130)는 브래킷(120)에 체결되어 지지 및 고정된다.
또한, 브래킷(120)은 받침판(150)에 체결되며, 받침판(150) 아래에는 이송부(210)가 구비되어 받침판(150) 위에 마련된 단열부(130) 및 시편 홀더(140) 등을 상하로 이송시키며, 이송부(210) 아래에는 지지부(220)가 구비되어 이송부(210)를 지지한다. 이송부(210)에 의해 시편 홀더(140)가 가열로(110) 내의 시험공간으로 유입 또는 인출된다. 도 7은 이송부(210)에 의해 이송되어 시편(160)이 가열로(110) 내로 유입된 상태를 나타낸다. 이송부(210)로는 모터, 에어실린더를 포함한 상하 이송이 가능한 다양한 수단이 활용될 수 있다.
더하여, 제어부가 구비되어, 시험을 위한 환경 조성을 위해 가열로(110)의 온도, 냉각가스의 유량 등을 조절하며, 이송부(210)의 작동을 제어한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시 예를 제시하나, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시 예
앞서 설명한 실시 예와 같은 구성으로 열피로 시험장치를 제조하고, 이를 이용하여 시편(160)의 고온부와 저온부의 온도 편차를 측정하였다. 표 1은 냉각 공기 유량에 따른 시편(160)의 고온부와 저온부의 온도 편차를 나타낸다. 본 실험에서 가열로(110)의 온도는 1120℃로 하였으며, 냉각공기의 온도는 22℃였다.
냉각공기 유량(ℓ/min) 온도편차
(△T)		 Air off Air on
표면온도
(고온부)		 하부온도
(냉각부)		 표면온도
(고온부)		 하부온도
(냉각부)
0 97 1117 1020 - -
5 120 - - 1106 986
7 147 - - 1107 960
7.5 151 - - 1103 952
8 155 - - 1101 946
8.5 163 - - 1100 937
표 1을 참조하면, 냉각공기를 공급하지 않을 경우 표면온도는 1117 ℃, 하부온도는 1020 ℃로 온도 편차는 97 ℃에 불과하였으나, 냉각공기 유량을 증가시킴에 따라 온도 편차가 증가하여 냉각공기 유량이 8.5 ℓ/min일 때 163 ℃의 온도 편차를 얻을 수 있었다. 본 실험에 사용된 열피로 시험장치의 최대 상승온도가 1600 ℃인 점을 고려할 경우, 냉각공기의 유량 및 가열로(110)의 온도를 증가시킴에 따라 더 넓은 범위의 온도 편차를 얻을 수 있을 것이다. 예를 들어, 가열로(110) 내부온도를 1600 ℃로 승온시키고, 냉각가스의 유량을 20 ℓ/min 혹은 그 이상으로 제어가 가능한 MFC (Mass Flow Controller)로 교체하여 시편(160)의 고온부와 저온부의 온도 편차를 보다 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열피로 시험장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시편 홀더의 평면도 및 단면도이며, 도 2c는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 시편 홀더의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가열로 내부의 구조를 보인 사진이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열피로 시험장치에서 보호관, 냉각가스 분사노즐 및 제2 온도센서가 결합된 상태를 보인 평면도 및 단면도이다.
도 5는 냉각가스 분사노즐에서 냉각가스가 분사 및 배출되는 과정을 도식화한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단열부의 평면도 및 단면도이다.
도 7은 이송부에 의해 이송되어 시편이 가열로 내로 유입된 상태를 보인 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110: 가열로 120: 브래킷
130: 단열부 131: 시편 홀더 안착부
131a: 시편 홀더 받침턱 140: 시편 홀더
141: 시편 안착부 141a: 시편 받침턱
150: 받침판 160: 시편
170: 보호관 180: 제2 온도센서
190: 냉각가스 분사노즐 210: 이송부
220: 지지부

Claims (8)

  1. 시편에 대해서 고온 환경을 반복적으로 제공하여 시편의 열피로 특성을 시험하는 열피로 시험방법에 있어서,
    상기 시편의 상부를 가열로에서 가열하고,
    상기 시편의 하부에 냉각가스를 분사하여 냉각함으로써,
    상기 시편의 상부 및 하부에 온도구배를 형성하여 실제 환경과 유사한 조건에서 상기 시편의 열피로 특성을 시험하는 것을 특징으로 하는 열피로 시험방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열로의 크기 및 형상의 제어가 가능하며, 가열로 내부의 온도조절을 통해 상기 시편 상부의 온도를 증감시키는 것을 특징으로 하는 열피로 시험방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각가스의 유량을 조절하여 상기 시편 하부의 온도를 증감시키는 것을 특징으로 하는 열피로 시험방법.
  4. 시편에 대해서 고온 환경을 반복적으로 제공하여 시편의 열피로 특성을 시험하는 열피로 시험장치에 있어서,
    상기 시편이 장착되며, 상기 시편의 하부를 노출시키는 홀이 형성된 시편 홀더;
    상기 홀을 통해 노출된 상기 시편의 하부에 냉각가스를 분사하는 냉각가스 분사노즐;
    상기 시편이 유입 또는 인출되는 시험공간이 형성되며, 상기 시편의 상부를 가열하는 가열로; 및
    각각 상기 시편의 상부 및 하부의 온도를 측정하는 제1 및 제2 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 열피로 시험장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각가스 분사노즐은 분사되는 냉각가스의 유량을 조절하여 상기 시편 하부의 온도를 증감시키는 것을 특징으로 하는 열피로 시험장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 시편 홀더를 상하로 이송시켜 상기 시편을 상기 가열로의 시험공간으로 유입 또는 인출시키는 이송부을 포함하는 것을 특징으로 하는 열피로 시험장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 냉각가스 분사노즐을 에워싸며 상기 냉각가스 분사노즐을 보호하고, 상기 냉각가스 분사노즐에서 분사된 냉각가스의 배출 통로를 제공하는 보호관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열피로 시험장치.
  8. 제1항에 있어서,
    열피로 시험 데이터를 컴퓨터와 연동하여 실시간 그래프로 관찰 가능하는 것을 특징으로 하는 열피로 시험장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101333309B1 (ko) * 2012-03-15 2013-11-27 한국과학기술원 적층 패키지의 신뢰성 평가를 위한 향상된 열 사이클링 시험 시스템 및 방법
KR102040928B1 (ko) * 2019-05-29 2019-11-05 국방과학연구소 이상적 표면 가열을 위한 토치 시험 장치 및 이의 조립 방법

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