03.04.2023 by Martin Rosenschon
Δυναμική μηχανική ανάλυση για υλικά υψηλής θερμοκρασίας
Χαρακτηρισμός υλικών άνω των 500°C μέσω DMA
ΗΔυναμική Μηχανική Ανάλυση (εν συντομία: DMA) είναι μια μέθοδος για τον προσδιορισμό των ιξωδοελαστικών ιδιοτήτων των υλικών ως συνάρτηση της θερμοκρασίας, του χρόνου και της συχνότητας. Η κύρια εφαρμογή της DMA είναι ο προσδιορισμός των υαλωδών μεταβάσεων ή των μεταβάσεων φάσης των πολυμερών και των πολυμερών σύνθετων υλικών. Εκτός από τη βιομηχανία πολυμερών, χρησιμοποιείται επίσης στην τεχνολογία τροφίμων και τη βιοϊατρική ή γενικότερα στην έρευνα υλικώνarch. Συνήθως, σε αυτούς τους τομείς χαρακτηρίζεται η ιξωδοελαστική συμπεριφορά των υλικών σε μέτριες θερμοκρασίες έως το πολύ 500°C.
Ωστόσο, ιξωδοελαστικά χαρακτηριστικά όπως το μέτρο αποθήκευσης E' και το μέτρο απώλειας E" παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στην περιοχή υψηλών θερμοκρασιών. Για παράδειγμα, τα πτερύγια ενός αεριοστροβίλου που συχνά κατασκευάζονται από συστήματα κραμάτων όπως ο χάλυβας, το titanium ή κράματα νικελίου πρέπει να είναι ειδικά σχεδιασμένα για το φορτίο τους - τις δυνάμεις και τις συχνότητες που δρουν - και τις θερμοκρασίες που προκύπτουν.
Στο θάλαμο καύσης ενός αεριοστροβίλου μπορούν να επιτευχθούν θερμοκρασίες άνω των 2.000°C [1]. Ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη τεχνολογία ψύξης και τη θέση, οι μέγιστες θερμοκρασίες μεταξύ 500°C και 1000°C εμφανίζονται στα πτερύγια του στροβίλου [1].
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται μια μέτρηση DMA ενός κράματος Inconel 625 έως 1000°C σε κάμψη 3 σημείων με τη χρήση της σειράς DMA Eplexor®® υψηλής θερμοκρασίας με δυναμική δύναμη έως 500 N. Ανάλογα με τον εγκατεστημένο κλίβανο, το σύστημα επιτρέπει μετρήσεις από θερμοκρασία δωματίου έως 1000°C ή έως 1500°C.
Το Inconel 625 είναι ένα σούπερ κράμα με βάση το νικέλιο και κύρια στοιχεία κράματος το χρώμιο, το μολυβδαίνιο και το νιόβιο. Πρόκειται για σήμα κατατεθέν της Special Metals Corp. Έχει υψηλή αντοχή στη διάβρωση και την οξείδωση. Το κράμα χρησιμοποιείται συχνά σε περιβάλλοντα όπου επικρατούν υψηλές θερμοκρασίες και διαβρωτικές συνθήκες, όπως σε τουρμπίνες και άλλα εξαρτήματα κινητήρων αεροσκαφών, εφαρμογές κλιβάνων και σωληνώσεις.
Ξεκινώντας από περίπου 210 GPa στους 100°C, το μέτρο αποθήκευσης E' (μαύρη καμπύλη) μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και το υλικό χάνει την ακαμψία του. Στους 400°C είναι λίγο κάτω από 200 GPa και στους 800°C είναι περίπου 160 GPa. Οι τιμές αυτές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν, για παράδειγμα, για τον υπολογισμό της παραμόρφωσης ενός πτερυγίου στροβίλου ανάλογα με τη θερμοκρασία λειτουργίας.
Στην πορεία του tan δ (μπλε καμπύλη), μπορούν να εντοπιστούν δύο φαινόμενα στους 713°C και 808°C (μέγιστη θερμοκρασία). Τα κράματα με βάση το νικέλιο, όπως το Inconel 625, ενισχύονται μέσω μιας καθορισμένης θερμικής επεξεργασίας και του σχετικού σχηματισμού ενδομεταλλικών κατακρημνισμάτων. Τυπικές φάσεις κατακρήμνισης σε κράματα με βάση το νικέλιο, οι οποίες αυξάνουν την αντοχή, είναι η μετασταθής κυβική γ' φάση Ni3( Al, Ti) και η κυβική γ'' φάση Ni3( Al, Ti) Ni3(Nb) [2]. Ο σχηματισμός και η διάλυση και των δύο φάσεων θα μπορούσε να εξηγήσει την επίδραση στους 713 °C στο tan δ. Πιο ακριβή συμπεράσματα δεν μπορούν να εξαχθούν λόγω έλλειψης πληροφοριών σχετικά με τις συνθήκες θερμικής επεξεργασίας του αρχικού υλικού. Οι Petrzak κ.ά. [3] αναφέρουν επίσης για το Inconel 625 το σχηματισμό της ασυνεχούς φάσης ισορροπίας δ Ni3(Nb, Ti) από τους 750°C, η οποία συσχετίζεται με τη δεύτερη κορυφή στο tan δ στους 800°C περίπου.
Εκτός από τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών τιμών για έναν στατικό και δυναμικό σχεδιασμό των εξαρτημάτων, η DMA μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την απόκτηση γνώσεων σχετικά με τη μορφολογική εξέλιξη - στην προκειμένη περίπτωση το σχηματισμό κατακρημνισμάτων.
NETZSCH Η Analyzing & Testing παρέχει την κατάλληλη DMA για τον εκάστοτε τομέα εφαρμογής σας, ανεξάρτητα από το αν θέλετε να χαρακτηρίσετε υλικά στην περιοχή χαμηλών θερμοκρασιών από -170°C έως 500°C ή να προσδιορίσετε τις ιξωδοελαστικές ιδιότητες υλικών υψηλών θερμοκρασιών έως 1500°C.
Λογοτεχνία:
(2011). Elsevier.
[2] Andersson, J. (2011). Συγκολλησιμότητα υπερκραμάτων σκλήρυνσης με κατακρήμνιση: επίδραση της μικροδομής. Chalmers Tekniska Hogskola (Σουηδία).
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. & Blicharski, M. (2016). Ανάλυση των μετασχηματισμών φάσεων στο κράμα Inconel 625 κατά την ανόπτηση. Acta Physica Polonica A, 130(4), 1041-1044.
