03.04.2023 by Martin Rosenschon
Analisi meccanica dinamica per materiali ad alta temperatura
Caratterizzazione dei materiali al di sopra dei 500°C mediante DMA
L'analisi meccanica dinamica (in breve DMA) è un metodo per determinare le proprietà viscoelastiche dei materiali in funzione della temperatura, del tempo e della frequenza. L'applicazione principale della DMA è la determinazione delle transizioni vetrose o di fase dei polimeri e dei compositi polimerici. Oltre che nell'industria dei polimeri, viene utilizzata anche nella tecnologia alimentare e biomedica o nella ricerca di materialiarch in generale. In genere, in questi settori viene caratterizzato il comportamento viscoelastico dei materiali a temperature moderate, fino a un massimo di 500°C.
Tuttavia, le caratteristiche viscoelastiche come il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo E' e il Modulo viscosoIl modulo complesso (componente viscosa), modulo di perdita o G'', è la parte "immaginaria" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente viscosa indica la risposta liquida, o fuori fase, del campione da misurare. modulo di perdita E" giocano un ruolo importante anche nell'intervallo delle alte temperature. Ad esempio, le pale di una turbina a gas, spesso realizzate con sistemi di leghe come acciaio, titano leghe di nichel, devono essere progettate appositamente per il loro carico - le forze e le frequenze che agiscono - e le temperature che ne derivano.
Nella camera di combustione di una turbina a gas si possono raggiungere temperature superiori a 2.000°C [1]. A seconda della tecnologia di raffreddamento utilizzata e della posizione, sulle pale della turbina si raggiungono temperature massime comprese tra 500°C e 1000°C [1].
La Figura 1 mostra una misura DMA di una lega Inconel 625 fino a 1000°C in flessione a 3 punti utilizzando la serie DMA Eplexor®® per alte temperature con una forza dinamica fino a 500 N. A seconda del forno installato, il sistema consente di effettuare misure da temperatura ambiente fino a 1000°C o fino a 1500°C.
L'Inconel 625 è una superlega a base di nichel con i principali elementi di lega: cromo, molibdeno e niobio. È un marchio registrato di Special Metals Corp. Ha un'elevata resistenza alla corrosione e all'OssidazioneL'ossidazione può descrivere diversi processi nel contesto dell'analisi termica.ossidazione. La lega è spesso utilizzata in ambienti in cui prevalgono temperature elevate e condizioni corrosive, come nelle turbine e in altre parti dei motori degli aerei, nelle applicazioni dei forni e nelle tubazioni.
A partire da circa 210 GPa a 100°C, il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo E' (curva nera) diminuisce con l'aumentare della temperatura e il materiale perde rigidità. A 400°C è di poco inferiore a 200 GPa e a 800°C è di circa 160 GPa. Questi valori potrebbero essere utilizzati, ad esempio, per calcolare la deformazione di una pala di turbina in funzione della temperatura di esercizio.
Nel corso del tan δ (curva blu), si possono individuare due effetti a 713°C e 808°C (temperatura di picco). Le leghe a base di nichel, come l'Inconel 625, vengono rinforzate mediante un trattamento termico definito e la relativa formazione di precipitati intermetallici. Le tipiche fasi di precipitazione nelle leghe a base di nichel, che aumentano la resistenza, sono la fase cubica metastabile a facce centrate γ' Ni3( Al, Ti) e la fase cubica a corpo centrato γ" Ni3(Nb) [2]. La formazione e la dissoluzione di entrambe le fasi potrebbe spiegare l'effetto a 713°C in tan δ. Non è possibile trarre conclusioni più precise a causa della mancanza di informazioni sulle condizioni di trattamento termico del materiale di partenza. Petrzak et al. [3] riportano anche per l'Inconel 625 la formazione della fase di equilibrio incoerente δ Ni3(Nb, Ti) a partire da 750°C, che si correla con il secondo picco in tan δ a circa 800°C.
Oltre a identificare i valori caratteristici per la progettazione statica e dinamica dei componenti, il DMA può essere utilizzato anche per ottenere informazioni sullo sviluppo morfologico, in questo caso la formazione di precipitazioni.
NETZSCH Analyzing & Testing offre il DMA giusto per il vostro settore di applicazione, sia che vogliate caratterizzare materiali a bassa temperatura, da -170°C a 500°C, sia che vogliate determinare le proprietà viscoelastiche di materiali ad alta temperatura, fino a 1500°C.
Letteratura:
[1] Boyce, M. P. (2011). Manuale di ingegneria delle turbine a gas. Elsevier.
[2] Andersson, J. (2011). Saldabilità delle superleghe indurenti per precipitazione: influenza della microstruttura. Chalmers Tekniska Hogskola (Svezia).
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. & Blicharski, M. (2016). Analisi delle trasformazioni di fase nella lega Inconel 625 durante la ricottura. Acta Physica Polonica A, 130(4), 1041-1044.
