고온 재료 시험의 변동성 감소
항공기 엔진의 효율성을 높이려면 재료 및 설계의 혁신뿐만 아니라 시험 데이터의 품질 향상도 필요합니다.
고온(최대 1000°C)에서의 저주기 피로(LCF)는 수십 년 동안 항공우주 산업에서 중요한 시험 분야였습니다. 그 목적은 중요한 터빈 부품의 재료가 겪는 가혹한 하중 조건을 시뮬레이션하여 재료 또는 공정 선택, 배치 출하 승인, 또는 최근에는 시뮬레이션에 사용할 데이터를 생성하는 것입니다.
이러한 시뮬레이션의 정확도를 높이려는 노력으로 인해 LCF 시험 데이터에 대한 관심이 다시 집중되고 있습니다. 근본적인 동기 중 하나는 탄소 배출량 감소에 대한 요구입니다. 적절한 위치에서 사용 가능한 온도를 약간만 높여도 효율성이 측정 가능하게 향상될 수 있습니다. 구조용 복합재의 사용으로 인상적인 항공기 중량 감소가 달성되었지만, 엔진 효율성을 개선하는 것은 배출량 감소를 위한 손쉬운 방법입니다.
더 나은 데이터란 무엇을 의미합니까?
모든 재료 피로 거동은 산포 또는 분포를 나타내므로 설계 및 시뮬레이션에서는 이를 고려하기 위해 통계적 신뢰 한계값을 사용합니다. 그러나 모든 산포가 순수한 재료 변동만은 아니며, 일부 추가적인 무작위성은 시험 절차 자체에 의해 발생합니다. 시험 시스템 작동의 변동(기계적 요인 또는 작업자로부터)은 동일한 시편을 재시험하는 것이 가능하더라도 약간 다른 결과를 제공할 가능성이 있음을 의미합니다. 이는 때때로 더 나은 데이터를 수집하는 것만으로도 설계 허용치를 개선할 수 있음을 의미합니다!
시험 엔지니어 커뮤니티로서 우리는 종종 단순한 정확도에 집착하지만, 이것만으로는 충분하지 않다는 인식이 자리 잡았습니다. 반복성이 필수적입니다. 개선 방법은 더 나은 기계적 및 열적 제어로 귀결되지만, 그 의미는 예상과 다를 수 있습니다. 고객과의 협력을 통해 Instron은 지난 수십 년 동안 제조업체와 시험 실무자들이 직면한 세 가지 주요 영역에서 솔루션을 개발했습니다.
기계적 자극
첫째, 시편의 그립 및 정렬은 변동성의 주요 원인입니다. 과거에는 이론적으로 타당한 많은 그립 설계가 사용되었지만, 반드시 반복 가능한 하중을 보장하지는 않습니다. 필수 요소는 시편에 적절한 위치 결정 기능을 사용하고, 그립과 시편 모두에 엄격한 공차를 적용하며, 축외 운동이 없는 클램핑 작용을 사용하는 것입니다. 동시에 시험 중 정렬을 유지하려면 전체 시스템의 높은 횡방향 강성이 필요합니다. 시편에서의 대부분의 횡방향 컴플라이언스는 로드 프레임이 아니라 풀 로드 및 구동 트레인의 굴곡에서 발생한다는 점을 인식하는 것이 중요합니다.
둘째, 기계적 시험 제어의 정확도가 중요합니다. 이는 명백해 보일 수 있지만, 시험 프레임의 제어 시스템이 효과적이고 일관되게 조정되지 않으면 달성하기가 쉽지 않습니다. 첫 10회의 피로 사이클에서 목표 하중으로 "포락"하기 위해 상당한 여유를 허용하는 것이 일반적인 관행이었지만, 이러한 초기 사이클은 재료가 가장 빠르게 변화하는(경화 또는 연화) 가장 중요한 경우가 많습니다. 조정은 역사적으로 "좋음"이 매우 주관적인 숙련된 작업이었습니다. Instron의 최신 특허 강성 기반 조정 알고리즘은 시험 설정 중 시편의 과부하 또는 사전 사이클링 위험을 제거하면서 서로 다른 작업자, 기계 및 심지어 실험실 간에 거의 동일한 시험 제어를 달성합니다.
열 제어 및 측정
셋째, Instron은 시편 온도 제어를 완전히 자동화했습니다. 대부분의 실험실에서 사용하는 로 제어 하드웨어는 놀랍게도 원시적인 상태로 남아 있으며, 로의 세 영역을 독립적으로 수동으로 제어하여 광범위하고 숙련되며 시간이 많이 소요되는 사전 시험 작업이 필요합니다. Instron의 최신 로 제어 시스템은 완전히 사전 조정되어 있으며 여러 시편 온도 측정을 사용하여 작업자의 개입 없이 로를 적응적으로 제어합니다. 각 시험은 의도된 온도에서 자동으로 수행되며, 가열 시간이 단축되고 온도 오버슈트 및 시편 구배가 최소화됩니다. 완전히 전산화된 인터페이스는 열전대 교정과 같은 기능을 추가할 수 있고 다양한 메트릭을 기록할 수 있어 추적성이 크게 향상됨을 의미합니다.
국제 표준화
항공우주 부문 내에서 일반적으로 "모범 사례"로 간주되는 것은 여전히 ISO, ASTM, JSA(일본 표준 협회) 및 BSI(영국 표준 협회)와 같은 공공 국제 표준화보다 훨씬 앞서 있습니다. 물론 특정 회사나 그룹은 내부 시험 사양 또는 상업 표준을 사용하지만, 이는 전체 커뮤니티에 공개적으로 게시되지 않습니다. Nadcap 요구 사항은 적당히 엄격하지만, 특정 시험 사양의 우수한 구현을 보장하는 역할만 한다는 점에서 제한적입니다. ASTM E606 및 ISO 12106과 같은 표준의 본질은 잘 확립되어 있지만, 이를 유지하고 개선하는 방법에 대한 논의가 진행 중입니다. 일부 고려 사항은 시편 형상 및 마감 요구 사항, 특히 적층 제조 시편의 맥락에서 이를 구현하는 방법과 관련이 있지만, 시험 제어에 대한 품질 요구 사항의 견고성을 개선하는 것과도 관련이 있습니다. 기존 작업자의 경우 피로 시험 장비에 대한 약간 더 엄격한 정렬 검증 방법(ISO 23788)을 사용할 수 있으며, 2022년에 ISO는 시편 온도 측정 검증에 대한 기술 사양(ISO 21913)을 발표했습니다.
항공우주 산업의 주요 시험 실험실은 이를 잘 알고 있으며 새로운 장비에 대한 명확하고 엄격한 요구 사항을 제공하지만, 많은 소규모 또는 신규 연구 실험실은 이러한 더 까다로운 요구 사항에 대한 지식이 없습니다. 결과적으로 장비 공급업체가 시장 요구 사항을 잘 이해하고 새로운 실험실이 "최첨단" 수준에서 시험 커뮤니티에 합류할 수 있도록 돕는 것이 그 어느 때보다 중요해졌습니다.
결론
오늘날 산업에 대한 환경적 및 사회적 요구는 설계 및 시뮬레이션의 수년간의 개선과 결합되어 가스 터빈 및 일반적인 발전의 효율성 향상을 촉진하고 있습니다. 재료 시험 산업에서 우리는 데이터에 대한 최고 수준의 신뢰를 제공하고 실험의 재현성을 보장하는 우수한 과학적 관행을 촉진하는 장비로 엔지니어링 부문을 지원해야 합니다. 이 문서에서 논의된 최근의 장비 설계 발전은 그 원칙을 예시하며 정렬, 시험 제어 및 온도 제어의 숨겨진 영향을 제거하여 시험 데이터의 일관성을 개선하려는 산업적 요구를 해결했습니다.
