3축 자동 비접촉식 초음파 탐상 스캐너 제작과 신뢰성 평가

Abstract

The purpose of this paper is to conduct the study on detection identification and assessment of internal defects for the Cf-C brake disk composite and the Cf-SiC composite for aircrafts and the semi metallic brakes for motorsports by applying non-contact air-coupled ultrasonic testing, the most advanced techniques of ultrasonic testing techniques among the nondestructive testing techniques. The Non-contact Air-coupled Ultrasonic Testing (NAUT) used in this paper is the most advanced ultrasonic testing technique. It is a nondestructive testing that complements the energy loss occurred due to the acoustic impedance difference in the air with two transmitting/receiving non-contact ultrasonic probes and enables the non-contact ultrasonic testing through high-powered ultrasonic focusing by using high-frequency band ultrasonic Pulser-Receiver. Typically, the ultrasonic testing performs the ultrasonic detection using the contact ultrasonic probe, however, by using the NAUT technique, it is possible to conduct the non-contact ultrasonic testing without the couplant that delivers the ultrasonic since it is able to do the ultrasonic focusing in the air. Since the transmission and reception of the ultrasonic occurs on the steady state, the NAUT is able to conduct the ultrasonic detection on the materials in high temperature (200°C) or low temperature (10°C) which were not possible to perform with the existing contact detection at the room temperature, or specimens with rough surface, complex shape or small section. In this paper, non-contact air-coupled ultrasonic detection experiment applied the Transmission Method and Reflection Method was conducted as follows: First, to analyze the ultrasonic attenuation characteristics during the ultrasonic focusing, the amplitude relationship of the transmitted waves depending on the changes of the ultrasonic focusing distance was analyzed using acrylic, aluminum and CFRP specimens. The experiment was performed and the amplitude relationship of the transmitted wave was analyzed depending on the reception area of the ultrasonic probe of plane figure type. Second, the experiment comparing the transmissivity at the frequencies of 400 kHz an 800 kHz was performed by placing each specimens of different materials between transmitting and receiving ultrasonic probes. The experiment to analyze the amplitude relationship between gradient angle and transmitted wave by using Transmission Method and Reflection Method techniques was also performed. Third, to analyze the transmitted wave relationship between sound area and defected area of an aluminum flat type specimens, the analysis experiment of amplitude relationship between transmitted waves, depending on the measurement mode, was performed by using the Reflection Method. Fourth, for internal defect detection of the Cf-C brake disk and the Cf-SiC composite for aircrafts using the non-contact air-coupled ultrasonic testing, the experiment for detection position and defect size confirmation was performed with C-Scan sectional image.|현재 국내외 항공우주산업은 대규모 시설 및 연구개발 투자가 필수적인 분야로서 세계시장의 70% 이상을 점유하고 있는 서방 선진국에서는 수출산업 및 첨단산업 육성, 자주국방, 국위선양 등의 명백한 목적을 가지고 국가주도로 추진하고 있는 산업이다. 특히 항공우주산업은 70년대의 섬유산업, 80년대의 조선 및 가전제품, 90년대의 자동차산업에 이어 21세기에 우리나라가 전략적으로 이끌어 나가야 할 고부가가치의 새로운 성장동력산업이며, 또한 최근의 정보화 사회 시대의 도래로 통신·방송위성 등의 수요가 크게 증가하고 있는 서비스 산업 분야도 항공우주기술로 인하여 비약적으로 발전이 예상되고 있다. 현재의 우리나라의 제조업은 항공우주기술을 응용하여 차세대 기술로의 새로운 도약이 가능한 시점이며, 특히 첨단 신소재 응용기술은 초정밀 가공 기술, 정밀전자 응용기술과 시스템 관리기술과 함께 최첨단 융복합 산업으로의 파급될 가능성이 매우 큰 기술이라 할 수 있다. 이에 따라 항공우주기술에 사용되는 첨단 신소재 부품에 대한 정량적인 신뢰성 평가기술에 대한 원천기술 연구도 활발히 진행되고 있는 상황이다. 항공우주용 첨단 신소재인 발사체 노출 부분은 고온, 고압의 가스가 배출되는 부분으로 기존의 사용되는 금속재인 몰리브데늄, 탄탈륨 그리고 텅스텐 등은 gas stream에 의한 erosion 및 corrosion 저항성이 낮아 그 수명이 매우 짧기 때문에 이에 대한 저항성이 우수한 세라믹 소재가 대체소재로 개발 및 적용되고 있다. Erosion 및 corrosion 저항성이 우수한 세라믹 소재는 고온 노출에 의한 thermal stress cracking과 creep 파괴에 대한 특성 향상이 요구된다. 이에 따라 최근 이러한 특성이 보완이 가능한 세라믹 섬유가 강화된 세라믹 복합재료가 주목 받고 있으며, 비산화물계 세라믹 기지상 복합소재(non-oxide ceramic matrix composite), 즉 탄소섬유(carbon fiber) 또는 탄화규소 섬유(SiC fiber)로 강화된 탄화규소 복합소재(Cf/C-SiC 또는 SiCf-SiC Composite)가 그 후보 소재로 대두되고 있다. 또한 로켓의 효율 및 성능 향상을 위해서는 경량화가 필수적으로 요구되며, 이를 위해 발사체 부분의 소재 경량화 연구가 수행되고 있으며, 전체 공정의 제조단가의 절감을 위한 공정개발 및 품질측정·평가 기술 개발 역시 활발한 연구가 진행되고 있다. 일반 CMC 복합재료는 기지상을 중심으로 Table 1-1과 같이 분류할 수 있으며, 세라믹스 기지상 복합체(ceramic matrix composite, CMC)는 세라믹스의 취약점인 취성 파괴 문제점을 개선하고자 개발되고 있다. CMC는 기계적 물성이 우수한 보강재를 입자, 휘스커, 또는 섬유 형태로 분산시켜 복합화 한 것으로서, 입자나 휘스커 강화 세라믹 복합체는 단일상 세라믹(monolithic ceramics)의 파괴에너지 범위를 크게 벗어나지 못하지만, 섬유 감유 세라믹 복합체(continuous fiber reinforced ceramic composite, CFCC)는 기지상에 응력이 가해져 균열이 전파될 때 섬유가 에너지를 흡수하는 역할을 하여 세라믹스의 파괴인성을 향상시킬 수 있는 소재로 알려 있다. CFCC의 기지상의 산화물이거나 혹은 탄화물(탄소포함)인 경우가 대부분이며, 대표적인 산화물 기지상 CFCC로는 알루미나(alumina)와 물라이트(mullite)기지 복합체가 있다. 이 산화물 복합체들은 염이나 용융 유리에 내한 내식성이 우수하며, 고인성, 경량 및 우수한 열충격 저항성을 지니고 있으므로 Table 1-2와 같은 용도에 적용되고 있으며, 용도에 따른 장점은 표에 요약한 바와 같다. 또 다른 대표적인 CMC 는 C 또는 서두에 언급한 SiC 계의 CFCC로 Cf/C, Cf/(C-SiC), Cf/SiC, SiCf/SiC 등이 있다. Cf/C 복합체는 항공기와 자동차 브레이크 디스크에서 우주왕복선의 단열타일에 이르기까지 광범위하게 응용되고 있으며, 내산화 특성을 향상시키기 위해 Cf/(C-SiC) 또는 Cf-SiC를 적용하고 있다. SiCf/SiC 복합체는 1970년대 중반에 SiC 섬유가 개발된 이후 본격적으로 개발되기 시작하였으며, 경제성과 기술적인 문제점 등으로 일반 산업용보다 특수한 용도로만 적용되고 있다. 그러나 최근 제조공정 기술의 향상으로 기술적인 진보가 이루어지고 있다. Cf-SiC 및 SiCf/SiC 복합체는 높은 열전도도, 우수한 내식성 및 내마모성, 낮은 열팽창률 및 경량으로 인하여 항공우주용 부품으로 aircraft thrust deflector, jet vane, combustion chamber, elevens, body flap, shingle, 가스 터빈 엔진부품으로 inner scroll(Cf/Sic), inner scroll support, inner shroud, extension liner, combustion liner, outer shroud, turbine rotor에 적용하며, 이외에도 차세대 엔진부품, 열병합 발전용 가스터빈 부품, 열교환기뿐만 아니라 원자력 산업의 가스냉각형 4세대 원자로의 노심 구조재료와 핵융합로 블랭크 구조재료 등으로 응용하기 위하여 연구개발이 진행되고 있다. 따라서 최첨단 신소재인 탄소섬유 강화 탄화규소 복합소재의 제조공정 시 발생할 수 있는 내외부 결함검출 및 복합소재 사용 시, 사용조건 및 외부환경에 따른 물리적 거동특성을 비파괴적 기법을 통하여 판별하고 평가할 수 있는 정량적 신뢰성 평가 기법에 관한 연구가 필수적이다. 본 논문에서는 탄소섬유 강화 탄화규소 복합재의 내부결함 검출 및 판별을 위하여 비접촉 공중 초음파 탐상기법(non-contact air-coupled ultrasonic testing method)을 적용한 정량적 비파괴 평가기법에 관한 연구를 수행하고자 한다.