03.04.2023 by Martin Rosenschon
Análisis mecánico dinámico de materiales a alta temperatura
Caracterización de materiales por encima de 500°C mediante DMA
El Análisis Mecánico Dinámico (abreviado: AMD) es un método para determinar las propiedades viscoelásticas de los materiales en función de la temperatura, el tiempo y la frecuencia. La principal aplicación del AMD es la determinación de transiciones vítreas o Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transiciones de fase de polímeros y compuestos poliméricos. Además de en la industria de los polímeros, también se utiliza en la tecnología alimentaria y la biomedicina o en la investigación de materiales en general. Normalmente, en estas áreas se caracteriza el comportamiento viscoelástico de los materiales a temperaturas moderadas hasta un máximo de 500°C.
Sin embargo, las características viscoelásticas como el módulo de almacenamiento E' y el Módulo viscosoEl módulo complejo (componente viscoso), módulo de pérdida o G'', es la parte "imaginaria" del módulo complejo global de la muestra. Este componente viscoso indica la respuesta líquida, o fuera de fase, de la muestra que se está midiendo. módulo de pérdida E" también desempeñan un papel importante en el rango de altas temperaturas. Por ejemplo, los álabes de una turbina de gas, a menudo fabricados con sistemas de aleaciones como acero, titanio o aleaciones de níquel, deben diseñarse especialmente para su carga -las fuerzas y frecuencias que actúan- y las temperaturas resultantes.
En la cámara de combustión de una turbina de gas pueden alcanzarse temperaturas de más de 2.000°C [1]. Dependiendo de la tecnología de refrigeración utilizada y de la posición, en los álabes de la turbina se alcanzan temperaturas máximas de entre 500 °C y 1.000 °C [1].
La figura 1 muestra una medición DMA de una aleación Inconel 625 hasta 1000°C en flexión en 3 puntos utilizando la serie de alta temperatura DMA Eplexor®® con una fuerza dinámica de hasta 500 N. Dependiendo del horno instalado, el sistema permite realizar mediciones desde temperatura ambiente hasta 1000°C o hasta 1500°C.
Inconel 625 es una superaleación a base de níquel con los principales elementos de aleación: cromo, molibdeno y niobio. Es una marca registrada de Special Metals Corp. Tiene una gran resistencia a la corrosión y la OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación. La aleación se utiliza a menudo en entornos donde predominan las altas temperaturas y las condiciones corrosivas, como en turbinas y otras piezas de motores aeronáuticos, aplicaciones en hornos y tuberías.
A partir de unos 210 GPa a 100°C, el módulo de almacenamiento E' (curva negra) disminuye con el aumento de la temperatura y el material pierde rigidez. A 400 ºC es ligeramente inferior a 200 GPa y a 800 ºC se sitúa en torno a 160 GPa. Estos valores podrían utilizarse, por ejemplo, para calcular la deformación de un álabe de turbina en función de la temperatura de funcionamiento.
En el curso del tan δ (curva azul), pueden identificarse dos efectos a 713°C y 808°C (temperatura máxima). Las aleaciones a base de níquel, como Inconel 625, se refuerzan mediante un tratamiento térmico definido y la formación asociada de precipitados intermetálicos. Las fases de precipitación típicas en las aleaciones a base de níquel, que aumentan la resistencia, son la fase cúbica metaestable centrada en la cara γ' Ni3( Al, Ti) y la fase cúbica centrada en el cuerpo γ" Ni3(Nb) [2]. La formación y disolución de ambas fases podría explicar el efecto a 713°C en tan δ. No se pueden extraer conclusiones más precisas debido a la falta de información sobre las condiciones de tratamiento térmico del material de partida. Petrzak et al. [3] también informan para Inconel 625 de la formación de la fase de equilibrio incoherente δ Ni3(Nb, Ti) a partir de 750°C, que se correlaciona con el segundo pico en tan δ en torno a 800°C.
Además de identificar los valores característicos para un diseño estático y dinámico de los componentes, la DMA también puede utilizarse para obtener información sobre el desarrollo morfológico, en este caso la formación de precipitaciones.
NETZSCH Analyzing & Testing proporciona el DMA adecuado para su área de aplicación individual, independientemente de si desea caracterizar materiales en el rango de baja temperatura de -170°C a 500°C o determinar las propiedades viscoelásticas de materiales de alta temperatura de hasta 1500°C.
Bibliografía:
[1] Boyce, M. P. (2011). Manual de ingeniería de turbinas de gas. Elsevier.
[2] Andersson, J. (2011). Soldabilidad de superaleaciones endurecidas por precipitación: influencia de la microestructura. Chalmers Tekniska Hogskola (Suecia).
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. y Blicharski, M. (2016). Análisis de las transformaciones de fase en la aleación Inconel 625 durante el recocido Acta Physica Polonica A, 130(4), 1041-1044.
