03.04.2023 by Martin Rosenschon
Динамичен механичен анализ за високотемпературни материали
Характеризиране на материали при температура над 500°C с помощта на DMA
Динамичният механичен анализ (съкратено: DMA) е метод за определяне на вискозоеластичните свойства на материалите като функция на температурата, времето и честотата. Основното приложение на DMA е определянето на стъкловидните или фазовите преходи на полимери и полимерни композити. Освен в полимерната промишленост, той се използва и в хранителната технология и биомедицината или в изследванията на материалите като цяло. Обикновено в тези области се характеризира вискоеластичното поведение на материалите при умерени температури до максимум 500°C.
Въпреки това, вискоеластичните характеристики, като модул на съхранение E' и модул на загуба E", играят важна роля и във високотемпературния диапазон. Например лопатките на една газова турбина, често изработени от системи сплави като стомана, титан или никелови сплави, трябва да бъдат специално проектирани за тяхното натоварване - действащите сили и честоти - и произтичащите от тях температури.
В горивната камера на една газова турбина могат да се достигнат температури над 2000°C [1]. В зависимост от използваната технология за охлаждане и местоположението, максимални температури между 500°C и 1000°C се наблюдават в лопатките на турбината [1].
На фигура 1 е показано DMA измерване на сплав Inconel 625 до 1000°C при триточково огъване с помощта на високотемпературната серия DMA Eplexor®® с динамична сила до 500 N. В зависимост от инсталираната пещ, системата позволява измервания от стайна температура до 1000°C или до 1500°C.
Inconel 625 е суперсплав на никелова основа с основни легиращи елементи хром, молибден и ниобий. Това е регистрирана търговска марка на Special Metals Corp. Тя има висока устойчивост на корозия и окисление. Сплавта често се използва в среди, където преобладават високи температури и корозионни условия, като например в турбини и други части на самолетни двигатели, пещи и тръбопроводи.
Започвайки от около 210 GPa при 100°C, модулът на съхранение E' (черната крива) намалява с увеличаване на температурата и материалът губи твърдост. При 400°C той е малко под 200 GPa, а при 800°C е около 160 GPa. Тези стойности могат да се използват например за изчисляване на деформацията на турбинна лопатка в зависимост от работната температура.
В хода на tan δ (синята крива) могат да се идентифицират два ефекта при 713°C и 808°C (максимална температура). Сплавите на никелова основа, като Inconel 625, се укрепват чрез определена термична обработка и свързаното с нея образуване на интерметални утайки. Типичните утаечни фази в сплавите на никелова основа, които увеличават якостта, са метастабилната кубична γ' фаза с лицево центриране Ni3( Al, Ti) и кубичната γ' фаза с телесно центриране Ni3(Nb) [2]. Образуването и разтварянето на двете фази би могло да обясни ефекта при 713 °C в tan δ. По-точни заключения не могат да бъдат направени поради липсата на информация за условията на термична обработка на изходния материал. Petrzak et al. [3] също съобщават за Inconel 625 за образуване на некохерентна равновесна фаза δ Ni3(Nb, Ti) от 750°C, което корелира с втория пик в tan δ при около 800°C.
В допълнение към определянето на характерни стойности за статично и динамично проектиране на компонентите, DMA може да се използва и за получаване на представа за морфологичното развитие - в този случай образуването на утайки.
NETZSCH Analyzing & Testing предлага подходящия DMA за вашата индивидуална област на приложение, независимо дали искате да характеризирате материали в нискотемпературния диапазон от -170°C до 500°C или да определите вискозоеластичните свойства на високотемпературни материали до 1500°C.
Литература:
[Boyce, M. P. (2011 г.): Gas turbine engineering handbook. Elsevier.
[2] Andersson, J. (2011). Weldability of precipitation hardening superalloys: influence of microstructure (Заваряемост на суперсплави с утаечно закаляване: влияние на микроструктурата). Chalmers Tekniska Hogskola (Швеция).
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. & Blicharski, M. (2016). Analysis of phase transformations in Inconel 625 alloy during annealing (Анализ на фазовите трансформации в сплав Inconel 625 по време на отгряване). Acta Physica Polonica A, 130(4), 1041-1044.
