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고온 유동 내에서의 텅스텐의 삭마현상에 대한 연구

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Authors
노성준
Advisor
김규홍
Major
기계항공공학부
Issue Date
2012-02
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2012. 2. 김규홍.
Abstract
본 논문은 텅스텐의 고온에서의 삭마현상에 관한 것으로, 삭마 실험과 전산해석을 병행하여 연구를 수행하였다. 텅스텐은 녹는점이 금속 중 가장 높고, 고온에서도 경도와 강도가 뛰어나 여러 가지 고온 환경에서 사용되고 있으나, 산화에 의한 삭마에 약하다는 단점이 있다.
텅스텐의 삭마현상은 고온에서 산소와 반응하여 형성되는 표면의 산화물의 거동과 깊은 관련이 있다. 텅스텐 산화물의 기화점보다 낮은 온도 범위, 즉 텅스텐 산화물이 고체나 액체상으로 존재하는 저온영역에서는 결합력이 약해진 고체상의 텅스텐 산화물이나, 액체상의 텅스텐 산화물층이 압력에 의해 쓸려나가면서 주로 삭마가 발생한다. 반면 텅스텐 산화물이 기체상으로 존재하는 고온영역에서는 표면에서 산화물이 형성되자마자 기체상으로 변화하므로, 표면에서의 산화반응 속도가 삭마속도를 결정한다.
본 연구에서는 이러한 텅스텐의 삭마현상 중 고온영역에서의 산화에 의한 삭마현상을 probability function을 가정하여 이론적으로 모델링하고, 2차원 축대칭 형상에 대하여 시간에 따른 삭마거동을 전산해석을 통해 계산하였다. 또한 고온 플라즈마 발생장비를 이용하여 플라즈마 전압력 및 시편 노출시간을 변수로 하여 실린더 형상의 텅스텐 시편의 삭마 거동을 측정하였으며, 실험결과와 전산해석 결과를 비교하여 표면온도 3,000K, 전압력 0.8~1.3기압의 범위에서 probability function을 도출하였다.
This paper is about an ablation of tungsten in high temperature flow. Ablation experiment and numerical calculation was carried out for this study at the same time. Tungsten has the highest melting point and it’s hardness and strength properties are outstanding when temperature is high. Therefore tungsten have been used widely in high temperature environment, however it is weak against the ablation by oxidation.
Ablation phenomena of tungsten are related to the oxidation behavior at the surface. In low temperature range where tungsten oxides exist in solid or liquid phase, almost ablation phenomena occurs by pressure difference which sweeps the tungsten oxides at liquid or solid phase. On the other hand, in high temperature range where most tungsten oxides exist in gas phase, tungsten oxides scarcely evaporate when tungsten oxides are formed by oxidation. Therefore in this high temperature range, the oxidation rate decides the ablation rate.
In this study, we assumed probability function which is related to the oxidation speed, and theoretically made an ablation model of tungsten applied in high temperature range. And we performed numerical analysis about ablation behavior of tungsten along time with 2-D axisymmetric cylinder shape. Also, we set stagnation pressure and plasma exposure time as variables and performed ablation experiment with pure tungsten specimen in high temperature plasma equipment. Through a comparison between experimental results and numerical analysis, we figured out the probability function around 3,000K, in stagnation pressure range of 0.8~1.3 atm.
Language
kor
URI
http://hdl.handle.net/10371/154744

http://dcollection.snu.ac.kr/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000001181
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College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Mechanical Aerospace Engineering (기계항공공학부)Theses (Master's Degree_기계항공공학부)
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