Sintering Behavior and Material Properties of Nickel/Alumina Functionally Graded Materials Fabricated by Pressureless Sintering Method

Abstract

and the number of required experiment should be reduced. A measurement method and estimated models of material properties including the following have been studied in the thesis.

1. A measurement method of porosity for each layer of a FGM

2. A method and a model to estimate material properties depending on porosity for the fabricated nickel/alumina FGM

3. A method and a model to predict sintering shrinkage of each layer of a FGM

A precise measurement method for the porosity of the FGM, an estimation method for the material properties depending on porosity of the FGM, and an estimation model that can predict the sintering shrinkage with a minimal number of experiments are suggested in this study as basic research for the development of a database of the materials science field. To confirm the reliability of the estimation model, an analysis of the results using estimated values from the estimation model were compared with measured values of fabricated FGMs. The proposed estimation models in the study are determined to be reliable using the comparison results. When a mechanical engineer who designs and fabricates a FGM uses the database employing basic data made by this study, it is possible to predict the stress and displacement of the FGM. Finally, a FGM providing excellent performance can be manufactured using this database system.

본 연구는 열에너지 효율을 높이기 위한 방안으로 작동 온도를 높이기 위한 열 저항성 재료를 제작하는 것이 목표이다. 이를 위해 경사기능재료를 도입하였고, 열 차폐 재료로 알루미나(Alumina, Al2O3)를, 구조 재료로는 니켈(Nickel, Ni)을 사용하였다. 그리고 경사기능재료의 제작방법으로 효율과 비용을 감안하여 분말야금법과 상압소결법을 사용하였다. 하지만 이러한 경사기능재료를 기계부품에 적용하기 위해서는 기계공학적 지식뿐만 아니라 재료과학적 지식도 요구된다. 이에 기계공학자의 입장에서 재료과학 분야의 연구를 데이터베이스화 시켜 경사기능재료 형태의 기계부품을 보다 효율적이고 신속하게 설계·제조하는 시스템을 만들려 한다. 이를 위해 본 연구에서는 경사기능재료 형태의 부품을 제작할 때 필요한 재료과학 분야의 변수를 데이터베이스화 시키고, 이에 필요한 실험을 표준화하여 최소의 실험으로 원하는 물성을 산출할 수 있는 물성 산출 모델을 만들기 위한 기초연구를 다음과 같이 수행하였다. 1. 상압소결법으로 제작된 경사기능재료의 기공률 측정방법 2. 기공률에 따른 니켈/알루미나 경사기능재료의 물성 산출 방법 및 모델 3. 니켈/알루미나 경사기능재료의 각 층에 대한 소결수축율 예측 방법 및 모델 수행된 연구의 결과인 물성 산출 모델들은 경사기능재료 제작에서 재료과학 분야의 데이터베이스화를 위한 핵심 요소이다. 따라서 본 연구에서 제시한 모델들에 의해 산출된 재료 물성으로 경사기능재료의 소결 변형 해석을 수행하였고, 이는 실험에 통해 측정된 재료 물성으로 수행된 해석 결과와의 비교로 제시된 모델들이 신뢰성이 있음을 확인하였다. 또한 본 연구에서 제시한 모델들에 의해 산출된 물성으로 경사기능재료의 열잔류응력 해석을 수행하였고, 이를 통해 경사기능재료의 파손 여부와 파손 위치를 예측하였다. 그리고 예측된 결과는 실제 제작된 경사기능재료 시편의 결과와 일치하였다. 이를 통해 기계공학자가 경사기능재료를 설계하고 제작할 때 본 연구에 의해 구축될 재료과학 분야 데이터베이스를 이용하면 경사기능재료의 물성을 보다 효율적으로 산출할 수 있고, 이 결과를 이용한 수치해석을 통해 경사기능재료의 응력과 변위를 예측할 수 있게 되어 보다 성능이 뛰어난 기계부품을 제작할 수 있게 된다.

In this study, a heat-resistant material is developed to increase the operating temperature as a strategy for increasing the thermal energy efficiency. To do so, the use of FGMs is introduced. As a heat shielding material, alumina was used, and nickel was employed as the structural material of the FGM. The powder metallurgy process and the pressureless sintering method were used for efficient and cost-efficient manufacturing of the FGM. To allow mechanical engineers without a strong background in material science to develop FGM parts, a system making use of a material science database was required. To make this system, the variables to be considered for the design and fabrication of FGMs from the materials science field should be input into the database

the experiments required from the materials science field should be standardized