입자 규모 수치 모델링을 통한 고크롬 주철/지르코니아 강화 알루미나 복합재의 세라믹 형상 최적화

요약

지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 세라믹 입자로 강화된 고크롬 주철(HCCI) 매트릭스 복합재의 열응력을 줄이기 위해 유한요소 시뮬레이션을 수행하여 세라믹 프리폼의 기하학적 구성을 최적화하였다. 기존 모델은 세라믹 입자 프리폼의 전체 구조를 단순화하고 경계 조건을 추가하여 입자를 시뮬레이션하는데, 이는 결과에 제어할 수 없는 오류를 초래한다. 본 연구에서는 등가 입자 모델을 사용하여 실제 프리폼을 기술함으로써 시뮬레이션 결과를 실제 실험 결과에 더 가깝게 만들었다. 복합재료의 응고 공정을 시뮬레이션하고 용융 철과 세라믹 입자 간의 침투를 실현하였다. 응고 공정 중 열응력과 압축 응력 분포를 얻었다. 결과에 따르면 프리폼에 10mm 원형 구멍을 추가하면 복합재의 성능이 향상되어 균열 방지와 재료의 소성 증가에 도움이 된다.

서론

산업화 공정의 지속적인 발전으로 전통적인 단일 내마모성 소재는 야금, 전력, 건축 자재 분야에서 내마모 부품의 성능 요구사항을 점차 충족하기 어려워지고 있다[1, 2]. 세라믹 입자 강화 금속 매트릭스 복합재, 즉 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 세라믹 입자로 강화된 고크롬 주철(HCCI) 매트릭스 복합재(이하 HCCI/ZTA_P 복합재)는 가장 인기 있는 내마모성 소재 중 하나로, ZTA 세라믹의 높은 경도와 HCCI의 뛰어난 인성을 완벽하게 결합하여 두 소재 간의 상호 보완적 관계를 최대한 활용함으로써 금속 매트릭스 복합재에 우수한 내마모성을 부여한다[3, 4].

HCCI/ZTA_P 복합재는 여전히 균열 경향이 있어 외관과 생산 안정성에 영향을 줄 수 있다[5-7]. 복합재료의 균열은 소성과 응력 조건과 관련이 있다. 우수한 소성과 낮은 열응력은 복합재료의 균열 가능성을 줄일 수 있다[8]. 세라믹 입자와 금속 간의 열팽창 계수 차이가 너무 크면 복합재의 열응력이 그에 따라 증가한다. 열응력이 높으면 복합재 내부, 특히 세라믹 입자와 금속 계면에서 균열이 개시될 수 있다. 균열의 지속적인 확장과 전파는 결국 복합재료의 파단 또는 전체 층 박리로 이어질 수 있다[9, 10]. HCCI/ZTA_P 복합재료도 위와 같은 문제를 가지고 있다. 용융 금속이 집적된 입자로 침투할 때 온도가 감소하여 금속의 세라믹 입자와의 결합 능력이 저하된다. 따라서 HCCI/ZTA_P 복합재의 성능을 더욱 개선하기 위해서는 균열 경향을 연구하고 줄이는 것이 중요하다[11, 12].

HCCI/ZTA_P 복합재에서 복합층은 작업면으로 설계되고 나머지 매트릭스는 금속으로 되어 있어 복합재가 높은 내마모성과 소성을 동시에 가질 수 있다[13]. HCCI/ZTA_P 복합재의 복합층은 침투법으로 제조된다. 복합재료의 놀라운 특성 중 하나는 설계 가능성이다[14]. 실제 수요에 따라 세라믹 입자를 특수 구조와 크기의 프리폼으로 제조한 후, 프리폼을 용융 금속과 밀접하게 결합시켜 ZTA_P/HCCI 복합재를 제조한다[15].

열응력을 줄이기 위해 세라믹 입자 프리폼을 육각형으로 선택하였다. 육각형 프리폼에서는 방향에 관계없이 용융 금속이 프리폼에 침투하는 최대 거리가 동일하므로 금속 침투의 균일성이 향상되고 프리폼 내 응력 집적이 감소한다[16, 17]. 육각형 프리폼을 사용하여 재료의 균열 경향을 줄였음에도 불구하고, 재료 성형 공정에서 열응력은 여전히 존재한다. 세라믹 입자 프리폼의 구조를 개선하면 응력 집적을 효과적으로 줄일 수 있다.

복합재 프리폼 구조 최적화에서 유한요소법은 반복 실험을 줄일 수 있다. 이전 연구에서는 세라믹 입자 도면과 계산의 복잡성으로 인해 세라믹 입자 프리폼을 보통 전체로 단순화하였다. 철저한 연구 결과 단순화된 모델에는 일부 결함이 있어 더 넓은 범위에 사용할 수 없음이 밝혀졌다. 등가 입자 모델의 구축은 모델을 실제 상황과 더 잘 결합시키고 모델로 인한 오류를 줄일 수 있다[18]. 유한요소 분석 소프트웨어 COMSOL Multiphysics를 사용하여 HCCI/ZTA_P 복합재료의 응고 공정과 압축 공정에서의 응력장을 모델링하였다[19]. COMSOL Multiphysics는 대규모 고급 수치 시뮬레이션 소프트웨어이다[20, 21].

본 논문에서는 유한요소 소프트웨어를 사용하여 다양한 조건 하에서 복합재료의 응력을 시뮬레이션하였다. 본 논문에서 사용된 COMSOL Multiphysics 버전은 4.5a이다. 이 연구는 유한요소 소프트웨어의 기하학적 모델이 계산 결과에 미치는 영향을 체계적으로 분석하여 다공성 프리폼의 설계와 개발에 이바지한다. 시뮬레이션과 실험을 서로 비교하고 모델을 지속적으로 최적화한다.

실험 방법

복합재 생산에서 주요 문제 중 하나는 응력 집적이며, 이는 복합재료의 내마모성과 소성에 직접적인 영향을 미친다. 세라믹 입자 프리폼의 구조를 개선하면 응력 집적을 효과적으로 줄일 수 있다. 본 연구의 목적은 프리폼 구조가 응력 분포에 미치는 영향을 조사하고 복합재료의 성능을 개선하는 것이다.

기하학적 모델의 구축 및 최적화

응고 공정에서 금형과 액체 금속의 온도가 다르며 액체 금속이 급속히 응고되므로, 주조 공정에서 각 위치 간 열전달은 비정상 상태이며 열전달 방정식은 다음과 같이 쓸 수 있다[22]:

$$\rho C_{{\text{P}}} \frac{\partial T}{{\partial x}} = \frac{\partial }{\partial x}\left( { \lambda \frac{\partial T}{{\partial x}}} \right) + \frac{\partial }{\partial y}\left( { \lambda \frac{\partial T}{{\partial y}}} \right) + \frac{\partial }{\partial z}\left( { \lambda \frac{\partial T}{{\partial z}}} \right) + \rho Q$$ (1)

여기서 ρ는 밀도, C_P는 열용량, λ는 열전도율, T는 과도 온도, Q는 열량, 좌표 x, y, z는 하위 시스템의 상대 좌표이다.

응고 공정에서 각 지점의 온도가 다르므로 주물 내에 가변적인 내부 응력이 존재한다. 주물을 선형 탄성체로 간주할 수 있다면, 내부 응력이 항복 한계 미만일 때 탄성 변형 과정으로 후크의 법칙 방정식으로 기술할 수 있다.

$$\left\{ {\begin{array}{*{20}l} {\varepsilon_{xx} = \frac{1}{E}\left[ {\sigma_{xx} - v\left( {\sigma_{yy} + \sigma_{zz} } \right)} \right]} \hfill \\ {\varepsilon_{yy} = \frac{1}{E}\left[ {\sigma_{yy} - v\left( {\sigma_{xx} + \sigma_{zz} } \right)} \right]} \hfill \\ {\varepsilon_{zz} = \frac{1}{E}\left[ {\sigma_{zz} - v\left( {\sigma_{xx} + \sigma_{yy} } \right)} \right] \to \varepsilon_{ij} = \frac{1 + v}{E}\sigma_{ij} - \frac{v}{E}\delta_{ij} \sigma } \hfill \\ {\varepsilon_{xy} = \frac{1}{2G}\sigma_{x} } \hfill \\ {\varepsilon_{yz} = \frac{1}{2G}\sigma_{yz} } \hfill \\ {\varepsilon_{zx} = \frac{1}{2G}\sigma_{zx} } \hfill \\ \end{array} } \right.$$ (2)

여기서 E는 영률, σ = σ_{ii + σ11} + σ_{22 +} σ₃₃, v는 푸아송 비, 단위 텐서 ε_ij = ½γ_ij, 전단 계수 G = E/{2(1 + v)}.

내부 응력이 항복 한계보다 크면 주물은 더 큰 변형을 겪는다. 총 변형은 탄성 변형과 소성 변형으로 구성되며, σ_ij = σ_ij^e + σ_ij^p. 이 방정식은 탄소성 선형 경화 모델로 처리할 수 있다. 탄성 변형과 소성 변형은 선형이며, 구성 방정식은 다음과 같이 쓸 수 있다[23]:

$$\sigma = \left\{ {\begin{array}{*{20}l} {E\varepsilon } \hfill & {\varepsilon \le \varepsilon_{{\text{s}}} } \hfill \\ {\sigma_{{\text{s}}} + E_{1} \left( {\varepsilon - \varepsilon } \right)} \hfill & {\varepsilon > \varepsilon_{{\text{s}}} } \hfill \\ \end{array} } \right.$$ (3)

여기서 σ는 변형, E는 영률, ε은 응력, ε_s는 항복 강도이다.

고크롬 주철 공작물의 수명은 내마모성이 나빠 짧다. 복합재료는 단일 HCCI에 비해 많은 장점을 가진다. HCCI/ZTA_P 복합재 제조 공정에서 ZTA 세라믹 입자는 미리 다공성 프리폼으로 제조된다. 프리폼은 ZTA 세라믹 입자와 HCCI를 더 단단히 결합시키고, 충격 시 세라믹 입자가 떨어지지 않게 한다. HCCI/ZTA_P 복합재의 성능을 더욱 개선하기 위해서는 프리폼 구조를 최적화할 필요가 있다.

주조 공정에서 용융 금속은 원형 구멍을 채워 금속 비율을 증가시킬 수 있다. HCCI/ZTA_P 복합재의 적용 공정에서 입자 집적 위치가 균열에 더 취약함이 밝혀져 이 위치에 원형 구멍을 추가하였다.

ZTA 세라믹 입자의 형상은 임의의 다각형이며 프리폼에 많은 입자가 있다. 모든 입자를 그리면 작업량이 많다. 이전 세라믹 금속 매트릭스 복합재 시뮬레이션에서 대부분 세라믹 입자 프리폼을 전체로 간주하였다. Fig. 1에 보인 바와 같이 본 논문에서는 거시적 및 미시적 규모에서 각각 모델을 구축하였다. 합리적인 모델 구축에는 실험과의 반복적인 상호 검증이 필요하다. 최적화 모델에서 계산 결과는 실험 결과와 잘 일치한다. 시뮬레이션 결과에는 응고 중 열응력, 온도장, 상전이장, 하중 하 주물의 응력-변형이 포함된다. 구축된 유한요소 모델에 합리적이고 효과적인 조정을 가하여 최적화된 유한요소 모델을 더 넓은 범위에서 사용할 수 있게 한다.

HCCI/ZTA_P 재료의 기하학적 모델 최적화 흐름도

유한요소 소프트웨어를 사용하여 기하학적 모델을 구축할 때 계산 시간과 모델링 작업량을 줄이기 위해 단순화된 기하학적 모델을 자주 사용한다. Fig. 2에 보인 바와 같이 3차원 육각형 다공성 프리폼을 2차원 모델로 단순화하고 한 층의 입자만 선택하여 2차원 모델에 투영함으로써 입자 간 간극이 존재한다. 이렇게 하면 3차원 공간에서 입자의 적층이 2차원 기하학적 모델에 미치는 영향을 효과적으로 회피하고 모델을 합리적으로 단순화하며 계산 효율을 높일 수 있다.

ZTA 세라믹 입자와 HCCI/ZTA_P 복합재의 기하학적 모델. a 다공성 프리폼, b HCCI/ZTA_P 복합재의 복합 구역, c 실제 입자 기반 최적화 기하학적 모델, d 초기 기하학적 모델

본 논문에서는 ZTA 세라믹 입자를 복합재의 강화상으로 선택하였다. ZTA 세라믹 입자는 알루미나에 지르코니아를 첨가하여 소결한 다상 구조 세라믹으로, 지르코니아 질량 분율은 18%, 알루미나 질량 분율은 82%이다. 고크롬 주철은 복합재료의 매트릭스로 12% 이상의 크롬을 함유한 우수한 내마모성 소재이다.

재료 매개변수는 유한요소 계산 결과에 큰 영향을 미친다. 본 논문에서 시뮬레이션 계산에 필요한 재료 매개변수는 실험과 문헌에서 얻었다. ZTA 세라믹 입자와 HCCI의 재료 매개변수는 Table 1에 제시되어 있다.

실험

HCCI/ZTA_P 복합재료의 소성과 내마모성을 테스트하기 위해 복합재에 대한 체계적인 시험을 수행하여 프리폼 구조의 영향을 추가로 확인하였다. SHT4305 만능 시험기를 사용하여 HCCI/ZTA_P 복합재의 압축 특성을 측정하였다. 압축 시험 시료 크기는 10 × 10 × 25mm, 가하중은 30톤, 압축 속도는 0.5mm/min이다.

HCCI/ZTA_P 복합재의 내마모성 시험은 필수적이다. 우수한 내마모성은 내마모성 복합재료의 성능을 테스트하는 가장 중요한 기준이다. HCCI/ZTA_P 복합재는 주로 광물 가공, 시멘트 제조, 제지 산업에 사용되며, 대부분 작업 조건은 3체 마모이다. HCCI/ZTA_P 복합재의 실제 작업 조건 하에서의 사용 성능을 최대한 시뮬레이션하기 위해 MMH-5 3체 마모 시험기를 사용하여 시험하였다. 시험기의 트랙 소재는 M2 공구강, 경도 820-860Hv, 외경 380mm, 폭 20mm이다. 마모재의 종류와 크기는 작업 조건에 따라 선택한다. 본 논문에서는 석영사를 마모재로 사용하였으며, 경도 1000-1200Hv, 시험 하중 40N, 시료 회전 속도 30r/min이다.

나노인덴터를 사용하여 선택된 100 × 100μm² 미세 영역에서 100점 영률 시험을 수행하였다. 나노인덴터 모델은 iMicro이다.

재료의 내마모성은 질량 감소, 부피 감소 등으로 측정할 수 있다. 미세한 변화로 측정 실린더로 측정한 부피 감소는 사람의 판독 오차를 쉽게 유발할 수 있다. 따라서 동일한 마모 조건에서 질량 손실 Δm을 사용하여 재료의 내마모 성능을 평가한다. 재료 손실 계산 공식은 다음과 같다:

$$\Delta m = m_{1} - m_{2}$$ (4)

여기서 m₁과 m₂는 각각 마모 전후 시료의 질량을 나타낸다.

결과 및 논의

단순화된 전체 모델 기반 시뮬레이션

본 연구에서 HCCI/ZTA_P 복합재의 응고 공정 중 열응력 시뮬레이션에서 10초 시점의 열응력 분포를 모든 시뮬레이션 결과에 대해 선택하였다. 왜냐하면 10초 전후로 열응력이 크게 변하기 때문이다. Fig. 3 오른쪽 척도와 비교하면 빨간색은 높은 응력, 파란색은 낮은 응력을 나타낸다. Fig. 3a에서 프리폼 가장자리, 특히 중간 위치, 프리폼의 위쪽과 아래쪽에 응력 집적이 나타나 빨간색으로 표시되었다. Fig. 3a 오른쪽 척도와 비교하면 이곳의 응력이 엄청남을 알 수 있다. 파란색은 입자가 모이는 곳, 즉 육각형 구멍 벽의 교차점에 나타나 이곳의 응력이 작음을 나타낸다. Fig. 3c의 기하학적 모델에서 프리폼의 입자 집적부에 원형 구멍을 추가하였다. Fig. 3c의 응력 분포는 Fig. 3a와 유사하나 원형 구멍 주변에 더 뚜렷한 응력 집적이 있다. Fig. 4의 프리폼 원형 구멍 주변 응력 분포는 Fig. 3과 유사하다.

단순화 모델에서의 응고 중 열응력 분포. a 초기 프리폼, b 초기 프리폼 부분 확대도, c 원형 구멍 추가된 프리폼, d 원형 구멍 추가된 프리폼 부분 확대도

단순화 모델에서의 압축 응력. a 초기 프리폼, b 초기 프리폼 부분 확대도, c 원형 구멍 추가된 프리폼, d 원형 구멍 추가된 프리폼 부분 확대도

최종 계산 결과를 직관적으로 보기 위해 결과를 후처리하고 응력 횡단 비교도를 그렸다. 먼저 기하학적 모델에 2D 횡단을 그렸는데, 주요 관찰 부분이 원형 구멍 주변, 즉 입자가 모이는 곳이므로 2D 횡단을 원형 구멍을 통과하도록 그렸다. 응력 그래프의 세로축은 횡단선의 응력 값이고 가로축은 모델의 x축 좌표이다(Fig. 5 참조). 단순화 모델에서 원형 구멍 좌표는 (12, 14), (27, 14)이다. Fig. 5c는 응고 응력의 선 그래프이다. Fig. 5c에서 원형 구멍이 있는 프리폼은 원형 구멍이 없는 프리폼에 비해 횡좌표 12와 27에서 응력이 유의미하게 증가하였다. Fig. 5d는 압축 응력 비교도이다. 곡선의 전반적 경향은 Fig. 5c와 동일하며, 원형 구멍 위치의 응력이 유의미하게 증가한다.

단순화 모델의 2D 횡단 위치와 응력 횡단 비교. a 초기 프리폼, b 초기 프리폼 부분 확대도, c 원형 구멍 추가된 프리폼, d 원형 구멍 추가된 프리폼 부분 확대도

등가 입자 모델 기반 시뮬레이션

Fig. 6은 실제 입자 기반 HCCI/ZTA_P 복합재 모델의 열응력 분포를 보여주며, Fig. 3과 유사하다. 그러나 Fig. 6에서는 ZTA 세라믹 입자가 더 이상 전체 프리폼으로 단순화되지 않고 개별 입자로 구축되어, 대부분의 입자 주변이 빨간색으로 나타남을 관찰할 수 있다. ZTA 세라믹 입자의 형상은 균일하지 않으며, 응력은 주변 값보다 높으며 특히 입자의 날카로운 모서리에서 높다. Fig. 3b와 6b의 열응력 분포는 명백히 다르다. Fig. 6b의 프리폼 원형 구멍은 파란색으로 나타나 이곳의 응력이 작음을 나타낸다. 원형 구멍 주변 응력 집적 계산 결과가 반대이다. 기하학적 모델의 단순화 정도와 그리기 방법이 다른 계산 결과를 초래한다.

최적화 모델에서의 응고 중 열응력 분포. a 초기 프리폼, b 초기 프리폼 부분 확대도, c 원형 구멍 추가된 프리폼, d 원형 구멍 추가된 프리폼 부분 확대도

Fig. 7에서 압축 응력을 시뮬레이션하는 데 사용된 기하학적 모델은 Fig. 6과 유사하다. Fig. 7에서 오른쪽 척도와 비교하면 응력이 모델 상부와 프리폼, 특히 세라믹 프리폼 양측 가장자리에 집중되어 노란색-녹색으로 나타난다. 프리폼의 입자 집적 부분에서 이 구역은 Fig. 7a에서 녹색으로 나타나 이곳의 응력이 작음을 나타낸다. Fig. 7b에서 프리폼 집적부에 원형 구멍을 추가하였다. 원형 구멍 구역의 색상은 녹색과 노란색으로, 뚜렷한 응력 집적이 없음을 나타낸다.

최적화 모델에서의 압축 응력. a 초기 프리폼, b 최적화된 프리폼 부분 확대도, c 원형 구멍 추가된 프리폼, d 원형 구멍 추가된 프리폼 부분 확대도

실제 입자 기반 모델에서 원형 구멍 좌표는 (12, 14), (27, 14)이다. Fig. 8은 응고 응력 비교도로, 원형 구멍 유무가 응력에 미치는 영향을 비교한다. 원형 구멍이 있는 프리폼의 응력은 횡좌표 12와 27에서 유의미하게 감소하였으며, 그 위치는 기본적으로 원형 구멍 위치와 일치한다. 원형 구멍이 있는 프리폼의 나머지 좌표 응력은 약간 증가하였다. Fig. 8a, b에서 두 곡선은 기본적으로 일치하나, 원형 구멍이 있는 프리폼에서 원형 구멍 좌표 근처의 응력이 유의미하게 감소한다.

최적화 모델의 2D 횡단 위치와 응력 횡단 비교. a 초기 프리폼, b 원형 구멍 추가된 프리폼, c 응고 응력, d 압축 응력

실험 검증

Fig. 9에서 볼 수 있듯이 마모 시험에서 최적화된 프리폼을 사용한 복합재와 원래 프리폼을 사용한 복합재의 질량 손실은 크게 다르지 않아 내마모성이 유의미하게 희생되지 않으면서 HCCI/ZTA_P 복합재의 전반적인 소성도 개선할 수 있음을 나타낸다.

HCCI/ZTA_P 복합재료의 압축 응력-변형 곡선과 3체 마모 질량 손실(복합 벌집 벽 접합부)

다공성 프리폼을 입자 집적 구역에 작은 원통형 구멍을 추가하여 최적화하였으며, 이는 HCCI/ZTA_P 복합재 내 세라믹 입자의 부피 분율을 변경하였다. 복합재료 내 ZTA 세라믹 입자의 함량은 기계적 특성에 영향을 미치는 중요한 인자이다. Fig. 9에 보인 바와 같이 원형 구멍이 있는 프리폼을 사용한 시료의 압축 강도와 압축 변형이 초기 프리폼을 사용한 시료에 비해 유의미하게 증가하여, ZTA 세라믹 입자 집적 구역의 작은 원형 구멍이 HCCI/ZTA_P 복합재의 강도와 소성 향상에 유리함을 나타낸다. 다공성 프리폼의 집적 구역에 작은 원통형 구멍을 추가하면 금속 매트릭스의 함량이 증가하여, 압축 응력 하에서 HCCI/ZTA_P 복합재의 압축 변형이 증가하고 압축 강도에도 영향을 미친다. 응력이 피크 값에 도달하면 시료에 손상이 이미 발생한 것으로 간주할 수 있다. 변형이 지속적으로 증가함에 따라 재료 내부 손상도 누적되고, 변형 저항은 점차 감소하여 최종적으로 전단 파괴가 발생한다.

모든 시료의 경도 미세 분석은 Fig. 10에 제시되어 있다. Fig. 10a, b에서 시험 구역은 각각 둥근 입자와 날카로운 모서리 입자 주변으로 선택하여 시뮬레이션 결과와 더 잘 대응시켰다. Fig. 10c, d는 응력의 부분 확대도와 비교된다. 시뮬레이션에서 응력 집적은 입자의 날카로운 모서리 주변에서 발생하는 경향이 있다. 시험 결과에서 날카로운 모서리 입자 근처의 영률이 둥근 모서리 근처의 금속 매트릭스보다 큰 것으로 나타나, 실제 입자 기반 모델의 타당성을 추가로 검증하였다.

복합재료의 압입 분포와 복합재료 입자 주변 영률 분포. a 입자 형상이 날카로운 경우, b 입자 형상이 둥근 경우, c 입자 형상이 날카로운 경우, d 입자 형상이 둥근 경우

프리폼의 입자 집적 구역에 원형 구멍을 추가하는 것은 세 가지 기능을 한다. 첫째, HCCI/ZTA_P 복합재료 내 세라믹 입자의 부피 분율을 감소시켜 잔류 응력을 줄인다. 둘째, 프리폼 세라믹 입자의 집적을 감소시킨다. 셋째, 더 나은 소성을 가진 금속 매트릭스의 부피 분율을 증가시켜 균열 전파를 방해한다. HCCI/ZTA_P 복합재의 소성은 잔류 응력 증가에 따라 감소한다. 세라믹 입자의 부피 분율이 감소하면 잔류 응력이 상대적으로 작아진다. ZTA 세라믹 입자 프리폼에 원형 구멍을 추가하면 균열을 줄일 수 있는데, 균열 불안정성은 직선을 따라 확장되는 경향이 있기 때문이다. HCCI/ZTA_P 복합재의 복합 구역에서 균열이 발생하면, 균열은 프리폼의 육각형 구멍 벽을 따라 쉽게 확장되어 균열 전파를 생성한다. 원형 구멍은 육각형 구멍 벽 접합부에서 HCCI 매트릭스의 함량을 증가시켜 균열 전파를 방해하므로 구조를 강인화하는 역할을 한다.

결론

HCCI와 ZTA_P 간의 큰 열팽창 계수 차이는 복합재료에 균열을 유발한다. 유한요소 소프트웨어를 사용하여 HCCI/ZTA_P 복합재료의 응고 및 압축 공정을 시뮬레이션하고, 프리폼에 대한 단순화된 전체 모델과 등가 입자 모델 기반의 응력 수치 값과 분포를 분석하였다. 계산 결과에 따라 프리폼 구조를 최적화하였다. 시뮬레이션과 실험 결과를 분석한 결과, 육각형 다공성 프리폼에 원형 구멍을 추가하면 응고 중 열응력과 압축 응력이 감소함을 결론지을 수 있다. 모델 최적화 및 조정 후 시뮬레이션 결과는 실험 결과와 일치하는 경향을 보인다. 본 논문의 방법은 다양한 금속 매트릭스 복합재 주조 시스템의 공정 매개변수 시뮬레이션과 최적화에 중요한 참고자료가 될 수 있다.