03.04.2023 by Martin Rosenschon
Korkean lämpötilan materiaalien dynaaminen mekaaninen analyysi
Materiaalin karakterisointi yli 500 °C:n lämpötilassa DMA:n avulla
Dynaaminen mekaaninen analyysi (lyhyesti DMA) on menetelmä, jolla määritetään materiaalien viskoelastiset ominaisuudet lämpötilan, ajan ja taajuuden funktiona. DMA:n tärkein sovellus on polymeerien ja polymeerikomposiittien lasisiirtymien tai faasisiirtymien määrittäminen. Polymeeriteollisuuden lisäksi sitä käytetään myös elintarviketeknologiassa ja biolääketieteessä tai materiaalitutkimuksessa yleensä. Yleensä näillä aloilla karakterisoidaan materiaalien viskoelastista käyttäytymistä kohtalaisissa lämpötiloissa enintään 500 °C:n lämpötilaan asti.
Viskoelastisilla ominaisuuksilla, kuten varastointimoduulilla E' ja häviömoduulilla E", on kuitenkin tärkeä merkitys myös korkeissa lämpötiloissa. Esimerkiksi kaasuturbiinin siivet, jotka on usein valmistettu seosjärjestelmistä, kuten teräksestä, titaanista tai nikkeliseoksista, on suunniteltava erityisesti niiden kuormitusta - vaikuttavia voimia ja taajuuksia - ja siitä johtuvia lämpötiloja varten.
Kaasuturbiinin palotilassa voidaan saavuttaa yli 2000 °C:n lämpötilat [1]. Käytetystä jäähdytystekniikasta ja sijainnista riippuen turbiinin siipien kohdalla esiintyy maksimilämpötiloja 500-1000 °C [1].
Kuvassa 1 on esitetty Inconel 625 -seoksen DMA-mittaus 1000 °C:n lämpötilaan asti kolmipistetaivutuksessa käyttäen DMA Eplexor®® -korkean lämpötilan sarjaa jopa 500 N:n dynaamisella voimalla. Asennetusta uunista riippuen järjestelmä mahdollistaa mittaukset huoneenlämpötilasta aina 1000 °C:seen tai 1500 °C:seen asti.
.
Inconel 625 on nikkelipohjainen superseos, jonka pääseosa on kromia, molybdeeniä ja niobiumia. Tämä on Special Metals Corp:n rekisteröity tavaramerkki. Se kestää hyvin korroosiota ja hapettumista. Seosta käytetään usein ympäristöissä, joissa vallitsevat korkeat lämpötilat ja syövyttävät olosuhteet, kuten turbiineissa ja muissa lentokoneiden moottorien osissa, uunisovelluksissa ja putkistoissa.
Varastointimoduuli E' (musta käyrä) alkaa noin 210 GPa:sta 100 °C:n lämpötilassa, mutta se pienenee lämpötilan kasvaessa ja materiaali menettää jäykkyyttä. Se on 400 °C:ssa hieman alle 200 GPa ja 800 °C:ssa noin 160 GPa. Näitä arvoja voitaisiin käyttää esimerkiksi turbiinin siiven muodonmuutoksen laskemiseen käyttölämpötilasta riippuen.
Tan δ:n (sininen käyrä) aikana voidaan havaita kaksi vaikutusta 713 °C:ssa ja 808 °C:ssa (huippulämpötila). Nikkelipohjaisia seoksia, kuten Inconel 625:tä, lujitetaan määritellyn lämpökäsittelyn ja siihen liittyvien intermetallisten saostumien muodostumisen avulla. Tyypillisiä nikkelipohjaisten seosten saostumisfaaseja, jotka lisäävät lujuutta, ovat metastabiili kasvokeskitetty kuutiollinen γ' -faasi Ni3( Al, Ti) ja vartalokeskitetty kuutiollinen γ" -faasi Ni3(Nb)-faasi [2]. Molempien faasien muodostuminen ja liukeneminen voisi selittää vaikutuksen 713 °C:n lämpötilassa tan δ:ssä. Tarkempia johtopäätöksiä ei voida tehdä, koska lähtömateriaalin lämpökäsittelyolosuhteita koskevat tiedot puuttuvat. Petrzak et al. [3] raportoi myös Inconel 625:n osalta epäkoherentin tasapainofaasin δ Ni3(Nb, Ti) muodostumisesta 750 °C:sta alkaen, mikä korreloi tan δ:n toisen piikin kanssa noin 800 °C:ssa.
Sen lisäksi, että DMA:n avulla voidaan tunnistaa ominaisarvot komponenttien staattista ja dynaamista suunnittelua varten, sillä voidaan myös saada käsitys morfologisesta kehityksestä - tässä tapauksessa saostumien muodostumisesta.
NETZSCH Analyzing & Testing tarjoaa oikean DMA:n yksilölliselle sovellusalueellesi riippumatta siitä, haluatko karakterisoida materiaaleja matalien lämpötilojen alueella -170 °C:sta 500 °C:seen vai määrittää viskoelastiset ominaisuudet korkeiden lämpötilojen materiaaleista aina 1500 °C:seen asti.
Kirjallisuus:
(2011). Gas turbine engineering handbook. Elsevier.
[2] Andersson, J. (2011). Saostuskarkaistuvien superseosten hitsattavuus: mikrorakenteen vaikutus. Chalmers Tekniska Hogskola (Ruotsi).
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. & Blicharski, M. (2016). Inconel 625 -seoksen faasimuunnosten analysointi hehkutuksen aikana. Acta Physica Polonica A, 130(4), 1041-1044.
