03.04.2023 by Martin Rosenschon
Dynamisk mekanisk analyse af højtemperaturmaterialer
Materialekarakterisering over 500 °C ved hjælp af DMA
Dynamisk mekanisk analyse (forkortet: DMA) er en metode til bestemmelse af materialers viskoelastiske egenskaber som en funktion af temperatur, tid og frekvens. Den vigtigste anvendelse af DMA er bestemmelse af glasovergange eller FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergange i polymerer og polymerkompositter. Ud over i polymerindustrien bruges det også i fødevareteknologi og biomedicin eller i materialeforskning generelt. Normalt karakteriseres materialers viskoelastiske opførsel ved moderate temperaturer op til maksimalt 500 °C inden for disse områder.
Viskoelastiske egenskaber som lagringsmodul E' og ViskositetsmodulDet komplekse modul (viskøse komponent), tabsmodul eller G'', er den "imaginære" del af prøvens samlede komplekse modul. Denne viskøse komponent angiver den væskelignende eller ude af fase reaktion i den prøve, der måles. tabsmodul E" spiller dog også en vigtig rolle i højtemperaturområdet. For eksempel skal vingerne i en gasturbine, der ofte er fremstillet af legeringssystemer som stål, titanium eller nikkellegeringer, være specielt designet til deres StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning - de kræfter og frekvenser, der virker - og de resulterende temperaturer.
I forbrændingskammeret i en gasturbine kan der opnås temperaturer på mere end 2.000 °C [1]. Afhængigt af den anvendte køleteknologi og positionen opstår der maksimale temperaturer på mellem 500 °C og 1000 °C ved turbinebladene [1].
Figur 1 viser en DMA-måling af en Inconel 625-legering ved op til 1000 °C i 3-punktsbøjning ved hjælp af DMA Eplexor®® højtemperaturserien med op til 500 N dynamisk kraft. Afhængigt af den installerede ovn giver systemet mulighed for målinger fra stuetemperatur op til 1000 °C eller op til 1500 °C.
Inconel 625 er en nikkelbaseret superlegering med de vigtigste legeringselementer krom, molybdæn og niobium. Det er et registreret varemærke tilhørende Special Metals Corp. Den har en høj modstandsdygtighed over for korrosion og OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.oxidation. Legeringen bruges ofte i miljøer med høje temperaturer og korrosive forhold, f.eks. i turbiner og andre dele til flymotorer, i ovne og i rørsystemer.
Fra omkring 210 GPa ved 100 °C falder lagringsmodulet E' (sort kurve) med stigende temperatur, og materialet mister stivhed. Ved 400 °C er det lige under 200 GPa, og ved 800 °C er det omkring 160 GPa. Disse værdier kan f.eks. bruges til at beregne deformationen af en turbinevinge afhængigt af driftstemperaturen.
I løbet af tan δ (blå kurve) kan der identificeres to effekter ved 713 °C og 808 °C (spidstemperatur). Nikkelbaserede legeringer som Inconel 625 styrkes ved hjælp af en defineret varmebehandling og den dermed forbundne dannelse af intermetalliske udfældninger. Typiske udfældningsfaser i nikkelbaserede legeringer, som øger styrken, er den metastabile overfladecentrerede kubiske γ'-fase Ni3 (Al, Ti) og den kropscentrerede kubiske γ" Ni3(Nb)-fase [2]. Dannelsen og opløsningen af begge faser kan forklare effekten ved 713 °C i tan δ. Der kan ikke drages mere præcise konklusioner på grund af manglende oplysninger om udgangsmaterialets varmebehandlingstilstand. Petrzak et al. [3] rapporterer også for Inconel 625 dannelsen af den usammenhængende ligevægtsfase δ Ni3(Nb, Ti) fra 750 °C, hvilket korrelerer med den anden top i tan δ ved omkring 800 °C.
Ud over at identificere karakteristiske værdier for et statisk og dynamisk design af komponenter kan DMA også bruges til at få indsigt i den morfologiske udvikling - i dette tilfælde dannelsen af udfældninger.
NETZSCH Analyzing & Testing leverer den rigtige DMA til dit individuelle anvendelsesområde, uanset om du ønsker at karakterisere materialer i lavtemperaturområdet fra -170 °C til 500 °C eller bestemme de viskoelastiske egenskaber for højtemperaturmaterialer op til 1500 °C.
Litteratur:
[1] Boyce, M. P. (2011): Gas turbine engineering handbook. Elsevier.
[2] Andersson, J. (2011). Svejsbarhed af udskillelseshærdende superlegeringer: indflydelse af mikrostruktur. Chalmers Tekniska Hogskola (Sverige).
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. & Blicharski, M. (2016). Analyse af fasetransformationer i legeringen Inconel 625 under udglødning. Acta Physica Polonica A, 130(4), 1041-1044.
