03.04.2023 by Martin Rosenschon
Dinamikus mechanikai elemzés magas hőmérsékletű anyagokhoz
Anyagjellemzés 500°C felett DMA segítségével
Adinamikus mechanikai analízis (röviden: DMA) az anyagok viszkoelasztikus tulajdonságainak meghatározására szolgáló módszer a hőmérséklet, az idő és a frekvencia függvényében. A DMA fő alkalmazási területe a polimerek és polimer kompozitok üvegesedéseinek vagy fázisátmeneteinek meghatározása. A polimeriparon kívül az élelmiszertechnológiában és a biomedicinában, illetve általában az anyagkutatásban is alkalmazzák. Ezeken a területeken általában az anyagok viszkoelasztikus viselkedését jellemzik mérsékelt hőmérsékleten, legfeljebb 500°C-ig.
A viszkoelasztikus jellemzők, mint például a tárolási modulus E' és a veszteségmodulus E" azonban a magas hőmérsékleti tartományban is fontos szerepet játszanak. Például egy gázturbina gyakran acél, titán vagy nikkelötvözetekből álló ötvözetrendszerekből készült lapátjait kifejezetten a terhelésükhöz - a ható erőkhöz és frekvenciákhoz - és az ebből eredő hőmérséklethez kell tervezni.
A gázturbinák égéstermében 2000°C-ot meghaladó hőmérséklet is elérhető [1]. Az alkalmazott hűtési technológiától és a helyzettől függően a turbinalapátokon 500°C és 1000°C közötti maximális hőmérsékletek fordulnak elő [1].
Az 1. ábra egy Inconel 625 ötvözet 1000°C-ig történő DMA-mérését mutatja 3 pontos hajlításban a DMA Eplexor®® magas hőmérsékletű sorozat segítségével, akár 500 N dinamikus erővel. A telepített kemencétől függően a rendszer lehetővé teszi a méréseket szobahőmérséklettől 1000°C-ig vagy 1500°C-ig.
Az Inconel 625 egy nikkelalapú szuperötvözet, amelynek fő ötvözőelemei króm, molibdén és nióbium. Ez a Special Metals Corp. bejegyzett védjegye. Magas korrózió- és OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációs ellenállással rendelkezik. Az ötvözetet gyakran használják olyan környezetben, ahol magas hőmérséklet és korróziós körülmények uralkodnak, például turbinákban és más repülőgépmotorok alkatrészeiben, kemencékben és csővezetékekben.
100 °C-on 210 GPa körül kezdődően az E' tárolási modulus (fekete görbe) a hőmérséklet növekedésével csökken, és az anyag veszít merevségéből. 400°C-on ez az érték valamivel 200 GPa alatt van, 800°C-on pedig 160 GPa körül van. Ezek az értékek felhasználhatók például egy turbinalapát üzemi hőmérséklettől függő alakváltozásának kiszámításához.
A tan δ (kék görbe) során két hatás azonosítható 713°C és 808°C (csúcshőmérséklet) esetén. A nikkelalapú ötvözeteket, mint például az Inconel 625-öt, meghatározott hőkezeléssel és az ehhez kapcsolódó intermetallikus csapadékok kialakulásával erősítik. A nikkelalapú ötvözetekben a szilárdságot növelő tipikus kiválási fázisok a metastabil, arcközpontú köbös γ' fázis Ni3( Al, Ti) és a testközpontú köbös γ" Ni3(Nb) fázis [2]. Mindkét fázis kialakulása és feloldódása magyarázhatja a 713 °C-on a tan δ-ben mutatkozó hatást. Pontosabb következtetéseket nem lehet levonni a kiindulási anyag hőkezelési állapotára vonatkozó információk hiánya miatt. Petrzak és munkatársai [3] az Inconel 625 esetében szintén beszámolnak a δ Ni3(Nb, Ti) inkoherens egyensúlyi fázis kialakulásáról 750°C-tól, amely korrelál a tan δ második csúcsával 800°C körül.
Az alkatrészek statikus és dinamikus kialakításához szükséges jellemző értékek azonosítása mellett a DMA arra is használható, hogy betekintést nyerjünk a morfológiai fejlődésbe - jelen esetben a csapadékképződésbe.
NETZSCH Az Analyzing & Testing az Ön egyedi alkalmazási területéhez megfelelő DMA-t kínál, függetlenül attól, hogy a -170°C és 500°C közötti alacsony hőmérsékletű tartományban szeretne anyagokat jellemezni, vagy a magas hőmérsékletű anyagok viszkoelasztikus tulajdonságait szeretné meghatározni akár 1500°C-ig.
Irodalom:
(2011): Gázturbinatechnikai kézikönyv. Elsevier.
[2] Andersson, J. (2011). Kicsapásos edzéssel keményedő szuperötvözetek hegeszthetősége: a mikroszerkezet hatása. Chalmers Tekniska Hogskola (Svédország).
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. & Blicharski, M. (2016). Inconel 625 ötvözet fázisátalakulásainak elemzése lágyítás során. Acta Physica Polonica A, 130(4), 1041-1044.
