혁신적인 시험 솔루션 개발 분야에서 30년 이상의 경험을 보유한 MTS 직원 엔지니어 Steve Lemmer는 제품 설계에 독보적인 전문성을 제공합니다. 이 Q&A에서 그는 고온 시험의 과제를 개괄하고 고온 그립의 개발에 대해 설명합니다.
Q. 왜 고온 시험이 중요한가요?
A. 재료는 종종 실온보다 높은 환경에서 사용되어야 하며, 엔지니어는 온도가 강도, 탄성계수, 크리프/파단과 같은 재료 특성에 어떤 영향을 미치는지 이해해야 합니다. 서로 다른 재료 유형을 시험하기 위해 일반적으로 세 가지 온도 범위가 사용됩니다. 약 200 °C까지의 온난 시험이 있으며, 이는 플라스틱과 복합재 시험에 해당하는 범위입니다. 다음은 200 °C~1200 °C의 고온 시험으로, 그중 대부분은 600 °C~1000 °C 범위로, 예를 들어 제트 엔진 재료를 시험하는 온도입니다. 마지막으로 1200 °C 이상의 초고온 범위가 있습니다. 이는 세라믹, 탄소 재료, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄과 같은 내화 금속을 시험하는 범위입니다. 이러한 서로 다른 온도 범위를 달성하기 위해 서로 다른 기술을 사용해야 한다는 점이 과제 중 하나입니다.
Q. 많은 사람들이 고온 시험에 대해 잘 모르는 점은 무엇인가요?
A. 시험 분야에 종사하는 대부분의 사람들은 정렬, 온도, 변형률 측정을 이해하고 있지만, 온도가 증가할수록 시험 구성의 복잡성도 증가합니다. 그립과 시편을 환경 챔버에 넣고 최대 600 °C까지 시험을 수행하는 것은 비교적 간단하지만, 온도가 높아질수록 시험 장비와 구성의 복잡성은 더 커집니다. 예를 들어 재료 선택이 달라지고, 온도 측정 장치가 바뀌며, 가열 방식이 변하고, 대기 환경이 달라질 수 있으며, 결국에는 중요한 시험 기능을 수행할 수 있는 기술이 제한적인 온도에 이르게 됩니다.
온도가 상승함에 따라 복잡성이 증가한다는 점은 알려져 있지만, 이러한 복잡성이 비용을 증가시킨다는 사실을 인식하는 사람은 많지 않습니다. 이러한 부속품에 사용되는 원자재는 고가이며 상업적으로 구하기 어려운 경우가 많습니다. 또한 이러한 재료는 기계 가공 부품으로 가공하기가 어려워, 기존 강재로 만든 동일한 부품보다 비용이 훨씬 높습니다. 요구되는 온도가 2000 °C를 초과하는 최고 범위라면, 완전 또는 부분 진공 환경에서 탄소 또는 내화 금속이 필요할 수 있습니다. 내화 금속은 다른 고가의 초내열합금들이 저렴해 보이게 만들 정도입니다!
Q. 고온 시험을 위한 더 저렴한 대안이 있나요?
A. 솔직히 말하면 없다고 말씀드리고 싶습니다. 고온 솔루션은 특정하고 까다로운 기능을 수행해야 합니다. 그립이나 하중 프레임과 같이 더 저렴한 장비를 선택할 수는 있지만, 이러한 선택은 종종 정렬과 유연성을 희생하게 됩니다. 더 저렴한 재료로 만든 ‘저온용 그립’을 선택하거나, 3존 퍼니스 대신 단일 존 퍼니스를 선택해 온도 구배를 포기할 수도 있습니다. 또한 고려해야 할 사항으로는 시험 구성이 하중 트레인에 백래시를 유발할 수 있는지, 하중을 가할 때 하중 축이 변하는지, 챔버나 신율계를 프레임에 장착하는 방식이 시험 정렬에 영향을 미치는지, 액추에이터의 마찰이 시험의 피드백 신호에 영향을 미치는지 등이 있습니다. 더 나아가 시편 교체의 용이성과 유연성이 중요한지도 고려해야 합니다. 결론적으로, 이러한 선택은 시험 결과를 위태롭게 할 수 있습니다.
Q. 고온 시험의 주요 과제에는 어떤 것들이 있나요?
A. 온도 측정, 변형률 측정, 그리고 시험 장비 재료가 장기간 견딜 수 있도록 하는 것이 주요 과제입니다. 이는 모든 구성 요소가 상호작용하며 함께 작동해야 하는 복잡한 시스템입니다. 즉, 퍼니스, 접촉식 및 비접촉식 변형률 측정, 하중 및 스트로크 트랜스듀서, 제어 전자장치, 시편 그립이 모두 조화를 이루어야 합니다. 시편을 가열하고 하중과 변형률을 측정할 때 각 구성 요소가 어떻게 상호작용하는지 이해해야 하며, 고온 환경은 시편의 변형률 측정에 적합하지 않습니다.
MTS 접촉식 신율계는 시편에 가해지는 측면 하중을 최소화하도록 설계되었지만, 하중을 가하는 동안 시편과 접촉을 유지하고 미끄러지지 않아야 합니다. 비접촉식 방법은 낮은 온도에서는 잘 작동하지만, 온도가 상승하면 열과 빛의 왜곡이 측정값에 영향을 미칩니다. 이러한 변형률 측정의 어려움 외에도, 시편 형상 자체가 시험을 더 어렵게 만들 수 있습니다. 예를 들어, 평판 시편 시험은 특히 까다로울 수 있습니다.
Q. 평판 시편의 고온 시험이 어려운 이유는 무엇인가요?
A. 평판 시편은 원형 시편보다 고정하기가 더 어렵습니다. 평판 시편을 고정하는 가장 좋은 방법은 시편의 면에 직접 수직력을 가해 가장자리의 전단력 대신 면에서 마찰력을 발생시키는 것이기 때문입니다. 이러한 쐐기형 그립 클램프 방식은 일반적으로 고정 메커니즘에 높은 응력을 발생시킵니다. MTS는 최대 1500 °C의 온도에서 시편을 시험하면서 이러한 응력을 견딜 수 있도록 기존 초내열합금을 사용하는 특허받은 방법을 보유하고 있습니다.
Q. MTS 모델 680 고온 그립이 독특한 이유는 무엇인가요?
A. 680 시리즈 유압 그립은 피로 시험을 일관되고 정확하게 수행할 수 있습니다. 기계식 그립을 사용할 경우 피로 시험에서 시편에 적용된 예압을 쉽게 확인할 수 없습니다. 모델 680 유압 그립은 시험 사이클 전반에 걸쳐 예압을 정밀하게 유지합니다. 680.01 그립은 버튼헤드 및 나사형 시편을 최대 1000 °C까지 시험하는 데 사용됩니다. 680.10은 평판 시편 시험 기능을 추가하여 1000 °C 시험 역량을 확장합니다. 680.15는 최대 1500 °C까지 시험할 수 있으며, 정렬 요구 사항이 까다로운 평판 세라믹 매트릭스 복합재 시험을 위해 설계되었습니다. 680.10과 680.15 모델 모두 고온 구성품만 교체하면 동일한 그립으로 다양한 온도에서 평판 및 원형, 버튼헤드 및 나사형 시편을 시험할 수 있습니다.
Q. 고온 그립의 공랭식 냉각의 장점은 무엇인가요?
A. 고온 구조 구성품을 공랭식으로 냉각하면 유압 그립을 사용해 더 높은 하중과 온도에서 시험을 수행할 수 있습니다. 680.10 및 680.15 그립에서는 공랭이 그립 내부 구성품에 적용되므로 퍼니스 내부의 시험 환경을 방해하지 않습니다. 그립 온도를 더 높게 유지하면 시편에서의 열 손실을 줄이고 게이지 구간을 따라 시편의 열 구배를 개선할 수 있습니다. 이러한 그립은 ASTM 및 ISO 지침에 따라 ±2 °C 또는 시험 온도의 ±1% 범위 내에서 구배를 유지합니다. 또한 유압식 그립이기 때문에 실온용 유압 그립과 동일한 장점—향상된 정렬 반복성, 시편 크기 유연성, 일관되고 명확한 클램핑력—을 제공합니다.
Q. 최근 몇 년간 고온 시험에서 무엇이 달라졌나요?
A. 에너지 생산, 연료 효율, 경량화 분야의 발전으로 인해 더 높은 온도에서의 시험 필요성이 커지고 있습니다. 기술적인 측면에서는, 더 높은 온도가 요구됨에 따라 변형률 및 온도 측정 기술 역시 진화하고 있습니다. 마지막으로 언급할 점은 연료 배기가스, 수소, 불활성 가스, 진공 등 다양한 환경에서 시편을 시험하려는 요구가 증가하고 있다는 것입니다.
고온 시험 솔루션은 여러 공급업체로부터 개별 구성품으로 구매할 수 있지만, 최상의 통합 솔루션을 원한다면 모든 요소가 함께 작동하도록 서브시스템 형태로 구매하는 것이 바람직합니다. 고온 시험을 처음 접하는 경우, 시험을 성공적으로 수행하기 위해 필요한 많은 세부 요소를 인지하지 못할 수 있습니다. 수십 년간의 고온 시험 경험을 바탕으로, MTS는 귀사의 고온 시험 응용 분야를 위한 통합 솔루션을 구축할 수 있는 지식과 제품을 보유하고 있습니다.
