03.04.2023 by Martin Rosenschon
Analyse mécanique dynamique des matériaux à haute température
Caractérisation des matériaux au-dessus de 500°C au moyen de la DMA
L'analyse mécanique dynamique (en abrégé : DMA) est une méthode permettant de déterminer les propriétés viscoélastiques des matériaux en fonction de la température, du temps et de la fréquence. La principale application de la DMA est la détermination des transitions vitreuses ou des Transitions de phaseLe terme de transition de phase (ou changement de phase) est le plus souvent utilisé pour décrire les transitions entre les états solide, liquide et gazeux.transitions de phase des polymères et des composites polymères. Outre l'industrie des polymères, elle est également utilisée dans la technologie alimentaire et la biomédecine ou dans la recherche sur les matériaux en général. En général, ces domaines caractérisent le comportement viscoélastique des matériaux à des températures modérées allant jusqu'à un maximum de 500°C.
Cependant, les caractéristiques viscoélastiques telles que le module de stockage E' et le Module visqueuxLe module complexe (composante visqueuse), module de perte ou G'', est la partie "imaginaire" du module complexe global des échantillons. Cette composante visqueuse indique la réponse liquide ou déphasée de l'échantillon mesuré. module de perte E" jouent également un rôle important dans la gamme des hautes températures. Par exemple, les aubes d'une turbine à gaz, souvent fabriquées à partir de systèmes d'alliages tels que l'acier, le titane ou les alliages de nickel, doivent être spécialement conçues pour leur charge - les forces et les fréquences qui agissent - et les températures qui en résultent.
La chambre de combustion d'une turbine à gaz peut atteindre des températures de plus de 2 000°C [1]. En fonction de la technologie de refroidissement utilisée et de la position, les températures maximales se situent entre 500°C et 1000°C au niveau des pales de la turbine [1].
La figure 1 montre une mesure DMA d'un alliage Inconel 625 jusqu'à 1000°C en flexion 3 points en utilisant la série DMA Eplexor®® haute température avec une force dynamique allant jusqu'à 500 N. Selon le four installé, le système permet des mesures à partir de la température ambiante jusqu'à 1000°C ou jusqu'à 1500°C.
L'inconel 625 est un superalliage à base de nickel dont les principaux éléments d'alliage sont le chrome, le molybdène et le niobium. Il s'agit d'une marque déposée de Special Metals Corp. Il présente une résistance élevée à la corrosion et à l'OxydationL'oxydation peut décrire différents processus dans le contexte de l'analyse thermique.oxydation. L'alliage est souvent utilisé dans des environnements où règnent des températures élevées et des conditions corrosives, comme dans les turbines et autres pièces de moteurs d'avion, les applications de four et les tuyauteries.
À partir d'environ 210 GPa à 100°C, le module de stockage E' (courbe noire) diminue avec l'augmentation de la température et le matériau perd de sa rigidité. À 400°C, il est légèrement inférieur à 200 GPa et à 800°C, il est d'environ 160 GPa. Ces valeurs pourraient être utilisées, par exemple, pour calculer la déformation d'une pale de turbine en fonction de la température de fonctionnement.
Au cours du tan δ (courbe bleue), deux effets peuvent être identifiés à 713°C et 808°C (température maximale). Les alliages à base de nickel tels que l'Inconel 625 sont renforcés par un traitement thermique défini et la formation associée de précipités intermétalliques. Les phases de précipitation typiques dans les alliages à base de nickel, qui augmentent la résistance, sont la phase cubique γ' métastable centrée sur la face Ni3( Al, Ti) et la phase cubique γ" centrée sur le corps [Ni3(Nb)] Ni3(Nb) [2]. La formation et la dissolution de ces deux phases pourraient expliquer l'effet à 713°C sur le tan δ. Il n'est pas possible de tirer des conclusions plus précises en raison du manque d'informations sur les conditions de traitement thermique du matériau de départ. Petrzak et al [3] rapportent également pour l'Inconel 625 la formation de la phase d'équilibre incohérente δ Ni3(Nb, Ti) à partir de 750°C, qui est en corrélation avec le deuxième pic de tan δ à environ 800°C.
Outre l'identification des valeurs caractéristiques pour une conception statique et dynamique des composants, la DMA peut également être utilisée pour obtenir des informations sur le développement morphologique - dans ce cas, la formation de précipitations.
NETZSCH Analyzing & Testing fournit le DMA adapté à votre domaine d'application individuel, que vous souhaitiez caractériser des matériaux dans la plage des basses températures de -170°C à 500°C ou déterminer les propriétés viscoélastiques de matériaux à haute température jusqu'à 1500°C.
Littérature :
[1] Boyce, M. P. (2011), Gas turbine engineering handbook. Elsevier.
[2] Andersson, J. (2011). Weldability of precipitation hardening superalloys : influence of microstructure. Chalmers Tekniska Hogskola (Suède).
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. & Blicharski, M. (2016). Analysis of phase transformations in Inconel 625 alloy during annealing ", Acta Physica Polonica A, 130(4), 1041-1044.
