Designing a Highly Sensitive Eddy Current Sensor for Evaluating Damage on Thermal Barrier Coating

ISSN 1225-7842 / eISSN 2287-402X http://dx.doi.org/10.7779/JKSNT.2016.36.3.202

1. 서 론

열차폐코팅은 가스 터빈 블레이드 등 극한의 열환경 하에서 작동하는 기계요소를 고온의 환경 으로부터 보호하기 위한 열차폐재로써 널리 이용 되고 있다. 열차폐코팅의 성능은 관련 산업의 경 제적 이윤이나 사용자의 안전에 직결되는 요소 로, 많은 연구가 열차폐코팅의 효율과 수명 증가

에 기여해왔다[1]. 일반적으로 열차폐코팅은 다층 의 구조로 구성되는데, 초합금 모재 층 위에 금 속 본드 코팅 층을 용사하고, 그 위에 열 흡수율 이 높은 이트리아 안정화 지르코니아 세라믹 층 을 용사하여 모재 층의 온도를 낮추는 역할을 한 다. 여기에 추가적으로, 열차폐코팅이 열화됨에 따라 본드 코팅과 세라믹 층 사이 계면에는 열화 산화물(thermally grown oxide, TGO) 층이 생성된

열차폐코팅의 비파괴적 손상 평가를 위한 고감도 와전류 센서 설계

Designing a Highly Sensitive Eddy Current Sensor for Evaluating Damage on Thermal Barrier Coating

김종민*, 이슬기**, 김학준*, 송성진*^✝, 석창성*, 이영제*

Jong Min Kim*, Seul-Gi Lee**, Hak Joon Kim*, Sung Jin Song*^✝ Chang Seong Seok* and Yeong-Ze Lee

초 록 열차폐코팅은 극한의 열환경에서 사용되는 기계요소를 고온으로부터 보호하기 위하여 널리 이용하

는 코팅으로, 관련 산업의 경제적 이윤과 사용자 안전에 관련한 중요한 기술이다. 따라서 이런 열차폐코팅의 비파괴적 손상 평가는 그 중요성이 높이 평가되어 왔으나, 코팅 파쇄의 원인이 되는 내부의 미세한 조성 변 화를 감지하기 위한 기술적 난제를 안고 있는 연구 주제이다. 본 논문은 열차폐코팅의 비파괴적 손상 평가를 위한 유한요소해석 기반 고감도 와전류 센서 설계 과정을 소개하고, 설계한 센서를 제작하여 진행한 성능 평 가를 통해 설계 과정을 검증하였다. 와전류 센서의 성능을 예측하기 위하여 유한요소해석을 수행한 결과, 열 차폐코팅의 손상 정도에 따른 센서의 임피던스가 증가와, 마그네틱 쉴드를 적용하였을 때 자속집속에 의한 검출능 향상을 관찰할 수 있었다. 또한 실제 실험결과와 비교를 통해 유한요소해석 결과를 검증하였다.

주요용어: 와전류검사, 열차폐코팅, 유한요소해석, 탐촉자 설계

Abstract A thermal barrier coating (TBC) has been widely applied to machine components working under high temperature as a thermal insulator owing to its critical financial and safety benefits to the industry. However, the nondestructive evaluation of TBC damage is not easy since sensing of the microscopic change that occurs on the TBC is required during an evaluation. We designed an eddy current probe for evaluating damage on a TBC based on the finite element method (FEM) and validated its performance through an experiment. An FEM analysis predicted the sensitivity of the probe, showing that impedance change increases as the TBC thermally degrades. In addition, the effect of the magnetic shield concentrating magnetic flux density was also observed. Finally, experimental validation showed good agreement with the simulation result.

Keywords: Eddy Current Testing, Thermal Barrier Coating, FEM, Sensor Design

[Received: April 4, 2016, Revised: May 10, 2016, 게재확정일: May 10, 2016] *성균관대학교 기계공학과, **LG전 자 H&A사업본부, ✝Corresponding Author: Department of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon 16419, Korea (E‐mail: [email protected])

ⓒ 2016, Korean Society for Nondestructive Testing

다. TGO 층의 성장은 TGO 층과 본드 코팅 경계 사이 응력을 증가시키고 그 결과 TGO 층이 특 정한 두께로 성장하면 열차폐코팅 내부의 박리가 발생하기 시작한다. 이때, TGO 층의 임계두께는 최근의 코팅기법으로도 최대 ~8 에 이르는 미 세한 두께인데, 이런 TGO 층의 두께 증가에 의 한 응력 및 열불균형 응력은 TBC 파쇄(spallation) 에 관련한 가장 중요한 현상 중의 하나이다[2].

한편 본드 코팅 층 및 초합금 모재 층 사이에 발 생하는 상호 확산은 본드 코팅 층 사이의 미세조 직 및 조성 변화 때문에 TGO 층의 접합에 영향 을 미친다. 본드 코팅 층은 사용 온도 증가에 따 른 블레이드 노출 시간에 따라 -상이 소멸하며 열화 한다. 즉 -상 소멸 층의 증가는 사용시간 증가에 따른 본드 코팅 층 열화를 의미하며, 열 차폐코팅의 파쇄 시점이 가까워 옴을 말한다. 열 차폐코팅의 파쇄는 기계요소를 고온의 환경에 그 대로 노출시키게 되어 관련 산업의 재정과 사용 자 안전성에 큰 손실을 불러오는 사고로 이어질 수 있으므로, 열차폐코팅의 비파괴적 손상 평가 는 엔지니어에게 매우 중요한 문제이다.

따라서 지금까지 많은 비파괴적 평가 기법들이 열차폐코팅 손상 평가를 위해 연구되어왔다[3].

초음파탐상기법은 코팅 두께 측정을 위해 적용된 바 있다[4,5]. 그러나, 열차폐코팅의 두께는 마이 크로미터 단위의 얇은 코팅이기 때문에 각 층에 서 검출된 반사신호가 서로 간섭하여 신호를 명 확히 구분하고 판독하는데 한계가 있었다. 한편 열화상탐지를 적용한 비파괴적 평가 기법들도 개 발된 바 있다. 열화상 기법은 비접촉 검사가 가 능하며 열차폐코팅의 표면 온도에 영향을 받지 않는다는 장점이 있으나, 시험체의 균일한 방사 율을 구현하기 위하여 전체 표면을 검은색으로 도색해야 하는 등 고비용의 사전처리가 필요하다 는 단점이 존재하였다[6]. 방사선투과시험은 방사 선 차폐의 문제점을 안고 있으며, 초음파탐상은 신호의 큰 감쇄와 상호간섭의 문제를 안고 있는 등 기존의 비파괴평가 기법은 열차폐코팅의 비파 괴적 손상 평가에 일부 한계가 존재했다.

와전류탐상시험(ECT)은 구조물의 건전성 및 수 명 평가에 널리 적용되어온 비파괴적 탐상기법으 로, 높은 분해능과 빠른 검사 속도, 비접촉 탐상 등 다양한 장점을 가진 기법이다. 다층의 도체구 조를 지닌 다양한 형태의 시험체에 대한 와전류

탐상 모델이 다른 경계조건들을 적용하면서 개발 되어 왔으며, Cheng은 와전류 탐촉자(코일)가 다 층의 도체구조물 위에 위치할 때 임피던스 변화 를 분석적으로 풀이한 모델을 제시하였다[7].

Cheng[8]의 연구를 따라 후속 연구로는 extended truncated region eigen function method (ETREE)를 적용하여 다층의 도체 상에서 자기장 반응을 계 산하기도 하였다. 한편 열차폐코팅처럼 내부 도 체구조의 두께가 매우 얇은 경우, 높은 분해능을 가진 센서가 필요하다. 최근의 연구결과는 수 마 이크로미터의 구조변화를 측정해야하는 열차폐코 팅의 손상평가의 가능성을 보여준다. 한 연구결 과에 따르면 와전류탐상시험을 이용하여 반도체 산업에 이용되는 실리콘 웨이퍼에 코팅한 구리 박막의 두께를 nm스케일로 검출이 가능하였다 [9]. 또한 코일-케이블 공진현상을 이용하여 저주 파수 대역 대비 신호 대비 잡음비(SNR)을 대폭 향상시킨 R.Gughes의 연구 결과가 발표되기도 하 였다[10]. 본 논문에서는 와전류탐상시험의 원리 를 이해하여 열차폐코팅 내부의 미세한 전기전도 도 변화와 산화물 층 성장을 평가하기 위한 와전 류 탐촉자의 설계 기법을 FEM을 통해 제시하고, 실제 실험결과를 비교하여 이를 검증하였다.

2. 원 리

2.1. 와전류탐상시험

코일에 흐르는 교류 전류가 흐르면, 전자기유 도현상에 의해 1차 자기장이 생성된다. 1차 자기 장에 의해 도체 시편 내부에서는 와전류가 생성 되는데, 와전류는 다시 2차 자기장을 유도한다.

ɛ =  

_

(1)

그 결과 1차 자기장과 2차 자기장은 같은 공간 에서 서로 간섭을 일으키게 되며 이를 magnetic coupling 이라고 부른다. 이때, 2차 자기장은 도체 내부의 특성(전자기적 물성 혹은 결함 등)에 따 라 변화하기 때문에, magnetic coupling 또한 이런 특성을 반영하게 된다. 그리고 magnetic coupling 의 변화는 코일의 전기적 임피던스를 측정하여 검출할 수 있다. 이를 이용한 비파괴평가 기법을 와전류탐상시험(ECT)이라고 부른다.

2.2. 탐촉자의 임피던스

일정한 주파수 f를 가진 교류 전류가 흐르는 탐촉자(코일)에서는 전기적 임피던스(Z)를 정의할 수 있다. 임피던스는 전압과 전류의 비로 정의되 며, 그 값은 복소수를 갖는다. 때문에 임피던스는 크기와 위상, 혹은 실수부와 허수부로 표현할 수 있다.

(2)

탐촉자의 임피던스는 다양한 요인에 의해 변화 하는데, 요인에 따라 변화하는 양상 또한 다르다.

탐촉자의 운영주파수 , 탐촉자와 시험체 간 거 리(리프트오프), 시험체의 전기전도도, 투자율 등 전자기적 물성, 시험체의 두께, 표준침투깊이 등 다양한 요인이 임피던스에 영향을 준다. 때문에 와전류 신호를 이용해 시험체의 상태를 평가하기 위해서는 위와 같은 다양한 요인을 고려한 신호 분석 기법이 필요하다. 본 연구에서는 탐촉자와 시험체의 거리(리프트오프)와, 시험체의 전기전도 도() 변화, 그리고 표준침투깊이에 의한 임피던 스 변화를 중점적으로 조사하였다.

2.3. 와전류탐상시험의 주파수와 표피효과

와전류 신호는 다양한 분야의 특성에 영향을 받으며, 각각 특성의 대상은 크게 시험체, 실험 기기, 프로브 등으로 나눌 수 있다. 본 연구에서 는 실험 기기의 특성 중에서도 운행주파수에 의 한 와전류 신호의 영향을 프로브 설계에 고려하 였다. 일반적으로 와전류 신호는 운행주파수가 높을수록 표면에서의 민감도가 증가하는 것으로 알려져 있다. 그러나 한편 운행주파수의 증가는 표피효과의 증가를 수반한다. 표피효과란 시험체 에 생성되는 와전류 밀도가 표면에 집중되는 현 상을 말한다. 와전류 밀도가 표면하 방향으로 얼 마나 깊이 생성되는지 가늠하는 척도를 표준침투 깊이()라고 부르며, 이는 다음과 같이 정의한다.

(3)

3. 시뮬레이션 분석

3.1. 열차폐코팅 시험편

열차폐코팅은 초합금 모재 층 위에 열차폐성능 을 위한 본드 코팅과 탑 코팅 층을 용사하여 만 들어진다. 탑 코팅은 주로 세라믹으로 이루어졌 으며, 세라믹의 높은 열차폐 성능은 모재를 고온 환경으로부터 보호하기에 적합하다. 그러나 모재 위에 직접 탑 코팅을 용사할 경우 충분한 접합강 도를 확보할 수 없다. 때문에 먼저 본드 코팅을 모재 위에 용사하고 다시 그 위에 탑 코팅을 용 사하여 충분한 접합력을 얻는다. Fig. 1은 열차폐 코팅의 단면을 간략히 나타낸 그림이다.

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 제작한 열차폐코 팅 시험편을 사용하였다. 각 시험편은 열화온도 와 시간을 달리하며 직경 25 mm의 원형으로 제 작되었으며, 이를 Fig. 2에 기재하였다.

열차폐코팅의 열화가 진행되며 내부에 산화 층 이 형성되는데, 그 두께를 조사하기 위해 SEM 이미지를 촬영하였다. 각각의 열화조건에 대한 결과는 Table 1과 같다.

Fig. 1 Schematic of thermal barrier coating[12]

1100℃

1000℃

900℃

25hr 50hr 100hr 200hr 400hr

Fig. 2 TBC specimens thermally degraded under various conditions

또한 열차폐코팅 내부 각 계층의 전자기적 특 성은 Table 2와 같이 정의하였다[13].

3.2. 와전류 탐촉자 시뮬레이션

열차폐코팅의 손상 평가를 위한 와전류 탐촉자 의 성능을 평가하기 위하여 유한요소해석을 진행 하였다. 해석에는 COMSOL Multiphysics 5.0을 이 용하였으며, 해석을 진행하기 위하여 코일의 설 계 파라메터와 TBC 시편의 내부 구조를 먼저 모 델링하였다. 먼저 시편과 탐촉자 모두 원형 형상 을 갖기 때문에 axis-symmetric 해석모델을 사용 하여 계산시간을 단축하고자 하였다. 전체 형상

을 위와 같이 모델링한 결과는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3(a)는 마그네틱 쉴드가 없는 프로브의 형상 을, Fig. 3(b)는 마그네틱 쉴드를 적용한 프로브의 형상을 각각 모델링한 모습이다. TBC 시편 각 층의 두께와 전자기적 물성은 Table 2를 참조하 여 입력하였고, 이를 통해 본드 코팅 층 열화에 따른 전기전도도 감소를 구현하였다. 또한 열차 폐코팅의 열화에 따라 성장하는 TGO 층의 두께 를 Table 1에 기재한 대로 입력하여 TGO 층의 성장을 모델링하였다.

본 연구에서 검출하고자 하는 것은 열차폐코팅 의 열화에 의한 내부의 미세한 변화이다. 때문에 물성 및 두께 변화에 매우 높은 감도를 갖는 센 서 구현을 중점으로 코일을 설계하였다. 와전류 센서(코일)을 설계할 때 고려해야 할 변수로는 코일의 내/외경, 높이, 선경, 권선수, 리프트오프, 표피효과에 의한 표준침투깊이, 운행주파수 등이 있다. 본 해석에서는 코일의 코어 재질 및 마그 네틱 쉴드에 의한 표준침투깊이에 의한 효과와 운행 주파수에 따른 감도 변화를 중점적으로 관 찰하고자 하였다. 따라서 코일의 형상을 Table 3 와 같이 결정한 상태에서, 코어의 재질, 마그네틱 Table 1 SEM images of TBC specimens

25 hours 50 hours 100 hours 200 hours 400 hours

900℃

1.70 1.84 1.87 2.22

1000℃

2.58 3.30 3.55 4.69

1100℃

4.01 6.53 8.14 delamination delamination

Table 2 Electrical conductivities of TBC layers Before

degradation

After degradation

Electrical Conductivity

[S/m]

Thickness []

Top coating layer

YSZ Ceramic

layer 10*e5 400

TGO layer TGO layer 10*e5 see Table 1

Bond coating (-NiAl

Zone)

-NiAl

depletion layer 7.0*e5

-NiAl layer 8.4*e5 150 Inter Diffusion

layer 3.32*e5 Super alloy

material layer

CM 247

material layer 7.8*e5 3.00[mm]

Table 3 Modeling parameters of ECT probe Coil

diameter [mm]

Number of Coil

Internal diameter [mm]

Outside diameter [mm]

Height [mm]

0,1 150 2 4.65 2

(a) (b)

Fig. 3 2D axis-symmetric geometry of ECT simulation (a) without magnetic shield, (b) with magnetic shield

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Fig. 4 Comparison between frequency and probe resistance change (△R) and reactance change (△X) on different aging temperature (without magnetic shield); (a)△R at 900℃, (b)△X at 900℃, (c)△R at 100 0℃, (d)△X at 1000℃ (e)△Rat 1100℃ (f)△X at 1100℃

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Fig. 5 Comparison between frequency and probe resistance change (△R) and reactance change (△X) on different aging temperature (with magnetic shield); (a)△R at 900℃, (b)△X at 900℃, (c)△R at 1000℃, (d)△X at 1000℃ (e)△R at 1100℃ (f)△X at 1100℃

쉴드 적용 여부, 운행주파수(0 ~ 20 MHz)를 바꾸 어가며 해석을 수행하였다. 리프트오프는 0.5 mm, 구동전압은 5V로 실제 실험조건을 고려한 값을 적용하였다.

Fig. 4와 Fig. 5에 FEM 해석을 통해 얻은 코일 의 레지스턴스, 리액턴스, 임피던스 변화량을 주 파수에 대하여 나타내었다. Fig. 4에는 마그네틱 쉴드가 없는 코일의 변화량을, Fig. 5에는 마그네 틱 쉴드가 있는 코일의 변화량을 나타내었다.

먼저 모든 그래프를 공통으로, 코일의 운행주파 수가 증가할수록 임피던스의 변화량도 커지는 경 향을 보임을 알 수 있다. 따라서 운행주파수가 높을수록 시험편 내부의 전기전도도 감소와 TGO 층 두께 성장에 민감하고, 열차폐코팅의 손상평 가에 유리함을 알 수 있다. 이는 주파수가 높아질 수록 와전류탐상시험의 분해능이 높아진다는 기 본 이론과 일치하는 결과이다. 그러나 실제 실험 에서는 여러 가지 제약에 의해 운행주파수를 높 이는 데에 한계가 따른다. 관련한 가장 주요한 현 상은 케이블의 캐패시턴스 성분에 의해 나타나는 코일-케이블 공진현상이다[10]. 공진주파수를 넘어 설 경우, 코일은 인덕터가 아닌 캐패시터의 특성 을 보이기 때문에 시험 결과에 더 이상 와전류탐 상의 기본 원리를 적용할 수 없다. 따라서 실제 시험에서는 공진현상을 고려하여 가능한 높은 주 파수 대역을 선택하는 것이 유리함을 알 수 있다.

두번째, 코일의 임피던스 증가에 관련하여 중 요한 요소는 산화층의 성장과 리프트오프 효과의 관계이다. 세라믹 재질인 탑 코팅 층과 열산화물 로 이루어진 TGO 층은 공기와 거의 유사한 전 기전도도를 갖는다. 때문에 본드 코팅 층은 와전 류가 발생하는 주요 영역이다. 즉, TGO 층의 성 장으로 나타나는 임피던스 변화는 실질적으로 본 드 코팅 층-코일 간 리프트오프에 의한 효과와 매 우 유사하며, 이는 와전류탐상시험이 열차폐코팅 의 손상 정도 측정에 적합한 방법임을 의미한다.

또한 해석결과를 통해 관찰할 수 있는 자속 밀 도의 집속 역시 중요한 의미를 갖는 결과이다.

Fig. 6은 해석결과 중 코일과 시편의 단면에서 자속밀도를 도출해낸 결과이다. 위의 그림에서 색상이 빨간색에 가까운 영역일수록 자속 밀도가 높음을 나타낸다. 마그네틱 쉴드는 코일 측면으 로 방출되는 자속을 효과적으로 차폐하고, 결과 적으로 본드 코팅 층을 투과하는 자속 밀도는 마

그네틱 쉴드의 적용 유무에 영향을 받음을 관찰 할 수 있다.

이러한 집속 효과는 열차폐코팅의 손상평가의 기술적 어려움을 극복하기에 매우 유용하다. 열 차폐코팅의 손상평가는 내부의 미세한 조성변화 를 탐지하기 위해 높은 민감도가 필요하면서도, 손상이 진행되는 본드 코팅 층 위에 탑 코팅이 존재하는 기술적 어려움이 있다. 때문에 앞서 논 의한 것처럼, 높은 운영주파수를 선택하여 내부 의 미세한 조성변화에 충분히 민감한 프로브를 설계해야 한다. 그러나 프로브를 높은 주파수로 가진할 경우 Fig. 6(a)에 나타난 것처럼 시편의 본드 코팅 내부에 충분한 자속 밀도를 형성하지 못한다. 높은 주파수에 의한 강한 표피효과로 자 속 밀도는 본드 코팅의 상단부에 집중되며, 이는 내부 손상평가에 한계가 있음을 의미한다. Fig.

6(b)는 동일한 조건의 프로브에 마그네틱 쉴드를 적용한 결과이다. 본드 코팅 내부에 형성되는 자 속 밀도의 크기가 눈에 띄게 증가한 것을 관찰할 수 있으며, 이 점은 마그네틱 쉴드가 본드 코팅 의 손상 평가에 유용함을 의미한다.

Fig. 7은 같은 해석모델에서 9.3 MHz의 운행주 파수로 코일을 가진하였을 때 임피던스 변화를

(a)

(b)

Fig. 6 Simulated magnetic flux density of ECT probe;

(a) without magnetic shield and (b) with magnetic shield

나타낸 그래프이다. 임피던스 값을 앞서 Fig. 5에 서 언급한 것과 같이 정규화 하고, 각각의 임피 던스 값은 열차폐코팅 시편의 열화온도와 시간에 따라 정렬하였다.

본 그래프를 통해 앞서 언급한 열차폐코팅의 손상 평가에 대한 종합적인 결론을 얻을 수 있 다. 먼저 높은 운행주파수 선택에 의한 와전류 민감도를 확인할 수 있다. 약 1 MHz 이내의 주 파수에서 사용하는 통상적인 와전류 프로브에 비 하여 9.3 MHz의 높은 운행주파수를 갖는 본 프 로브는 열차폐코팅의 손상에 민감하다. 마그네틱 쉴드의 적용 유무와 상관없이, 열화온도 및 시간 에 따른 임피던스 변화량이 뚜렷하게 구분됨을 Fig. 7에서 확인할 수 있다. 두번째로는 마그네틱 쉴드를 적용하여 프로브의 민감도를 보다 향상시 킬 수 있음을 알 수 있다. 마그네틱 쉴드는 프로 브 임피던스의 변화량을 다소 증가시킨다. 비록 Fig. 7에 나타난 증가 폭은 눈에 띄게 크지 않지 만, 마그네틱 쉴드를 적용한 프로브는 TGO 층 성장뿐 아니라 시뮬레이션에서 구현하기 까다로 운 본드 코팅 내부의 불균일하며 국부적인 손상 까지 감지할 수 있다는 점에서 의미가 있다. 실 제로 마그네틱 쉴드의 유용성은 이어지는 실험결 과에서 보다 두드러지게 관찰할 수 있다.

3.3. 실험적 검증

마지막으로 시뮬레이션에서 모델링한 바와 같 은 특성을 지닌 코일과 마그네틱 쉴드를 실제로

제작하고, 이를 이용하여 열차폐코팅 시편 상에 서 코일의 임피던스를 측정하여 FEM 해석의 정 확성을 검증하였다. 제작한 코일의 특성은 Fig. 9 와 Table 4에 기재하였다. 실험장비 및 절차는 다 음과 같다. 코일을 TBC 시편의 중심부에 위치시 키고 임피던스 분석기를 연결하였다. TBC 시험 편의 열화온도 및 시간은 3.1절의 Table 1에서 앞 서 언급한 바와 동일하다. 임피던스 분석기는 Agilent사의 4294A를 사용하여 5V 전압으로 코일 을 구동하였으며 이 때 주파수는 40 kHz ~ 20 MHz의 대역을 설정하고 실험을 진행하였다.

Fig. 7 Comparison of normalized impedance change (△Z) of without shield and shielded ECT probe on different aging temperature at 9.3 MHz operation frequency

Fig. 8 Experimental setup for performance test

(a)

(b)

Fig. 9 ECT probe - (a) without magnetic shield, (b) with magnetic shield

Table 4 Characteristics of ECT probe Coil

diameter [mm]

Number

of Coil Resistance Frequency Internal diameter [mm]

Outside diameter [mm]

0.1 150 4 9.30 MHz 2 4.65

먼저 코일의 공기 중에서 임피던스를 관찰한 결 과 약 9.5 MHz에서 공진현상을 보였다. 때문에 운전주파수는 공진주파수에 가까운 9.3 MHz를 중점적으로 관찰하였다. 실험장비와 탐촉자의 실 제 사양 및 사진은 Fig. 8과 Fig. 9와 Table 4에 나타내었다.

실험을 통해 관측한 코일의 임피던스 변화량은 Fig. 10과 같이 마그네틱 쉴드를 적용하지 않았 을 때 임피던스 변화량과 마그네틱 쉴드를 적용 한 경우 임피던스 변화량을 열차폐코팅의 다양한 열화온도/시간에 따라 비교하여 나타내었다.

FEM 해석 결과와 마친가지로, 코일의 임피던스 값은 공기 중에서 임피던스 값을 기준으로 정규 화하였다. 그림에 나타난 것처럼, 코일 임피던스 변화는 열화시간/온도 증가에 따라 증가함을 확 인하였다. 특히 임피던스의 변화는 열화시간보다 온도에 의한 영향이 더욱 큰 것으로 나타났는데, 이는 위에서 제시한 산화층 두께 데이터의 경향 과 일치한다. 이는 시뮬레이션 결과가 타당함을 나타내며, 와전류시험으로 열차폐코팅의 손상 정 도가 측정 가능함을 시사한다. 한편 시뮬레이션 에서 고려하였던 자속 집중에 의한 센서 성능 향 상 또한 실제 실험에서 관찰할 수 있었다. 마그 네틱 쉴드는 본드 코팅 층 내부 와전류 밀도를 증가시키는 효과가 있다고 판단되며, 이는 고주 파수 대역에서 강한 표피효과에 의해 침투 깊이 가 낮아지는 와전류탐상의 제약을 보완하고자 할

때 유용하다. 단, 일부 데이터는 경향에서 벗어나 는 것이 관찰되었는데, 가장 주요한 요인은 열차 폐코팅의 손상이 불균일하게 진행되는 점으로 판 단된다. 실제 작동 환경에서 열차폐코팅의 면적 전체에 균일한 열 손상이 일어나기는 매우 어렵 다. 본 연구에 활용한 시편에서도 열화 환경에 의한 국부적인 손상이 진행된 것으로 판단된다.

따라서 실제 현장에서 열차폐코팅의 손상을 평가 하기 위해서는 보다 많은 표본 데이터를 확보하 여 손상 정도와 함께 국부적인 손상을 평가할 수 있는 손상map 작성이 필요하다고 생각된다.

4. 결 론

본 논문은 유한요소해석 시뮬레이션을 기반으 로, 열차폐코팅의 비파괴적 손상 평가를 위한 고 감도 와전류 센서를 설계하고 그 성능을 실제 실 험을 통해 평가하는 과정을 기술하였다. 센서 설 계 과정과 이를 검증하는 실험의 결과를 통해 다 음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 열차폐코팅 내부에서는 손상에 따라서 본드 코팅 층의 전도도 감소와 함께 비전도성인 TGO 층이 성장한다. 이때 열차폐코팅 내부의 변화를 물성이 변화하는 multi-layer 구조로 가 정하여 모델링을 작성하였고, 실제 실험 결과 를 통해 이러한 시뮬레이션 기법이 타당함을 입증하였다.

2) FEM 모델 해석을 통해 고감도 와전류 센서의 성능을 예측하여 적절한 운행주파수를 선정하 는 방법과 이때 자속 집속의 역할에 대해 분 석하였다. 높은 주파수 대역을 선택할수록 와 전류 센서는 두께 및 물성변화 검출에 유리해 지며, 이때 마그네틱 쉴드를 적용하면 자속을 보다 집중시켜 높은 주파수 때문에 감소하는 표준침투깊이를 보완할 수 있다. 이는 본드 코팅 층 손상에 대한 와전류탐상 신호를 보다 증강시켜 준다.

3) 열차폐코팅 파쇄의 가장 중요한 요인 중 하나 인 TGO 층 성장과 와전류 신호의 리프트오프 효과에 의한 임피던스 증가 사이에 일치하는 경향이 있으며, 비전도성을 띄는 TGO 층의 물성과 밀접한 관계가 있음을 의미한다.

Fig. 10 Comparison of impedance change (△Z) between without magnetic shield and with magnetic shield probe

Acknowledgement

이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기 초연구사업임(No. 2011-0020024).

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