03.04.2023 by Martin Rosenschon
高温材料の動的力学解析
DMAによる500℃以上の材料特性評価
ダイナミック・メカニカル・アナリシス（略称：DMA）は、材料の粘弾性特性を温度、時間、周波数の関数として測定する方法である。DMAの主な用途は、ポリマーやポリマー複合材料のガラス転移や相転移の測定である。ポリマー産業だけでなく、食品技術や生物医学、あるいは一般的な材料研究にも利用されている。通常、これらの分野では、最高500℃までの中温における材料の粘弾性挙動が特徴付けられる。
しかし、貯蔵弾性率E'や損失弾性率E "などの粘弾性特性は、高温領域でも重要な役割を果たします。例えば、鋼、チタン、ニッケル合金などの合金系で作られることの多いガスタービンのブレードは、その負荷（作用する力と周波数）および結果として生じる温度に対して特別に設計されなければならない。
ガスタービンの燃焼室では、2,000℃を超える温度に達することがある[1]。使用される冷却技術と位置によっては、タービンブレードで500℃から1000℃の最高温度が発生します[1]。
図1は、DMAEplexor® 高温シリーズを使用した、1000℃までのインコネル625合金の3点曲げにおける、最大500 Nの動力を用いたDMA測定です。設置されている加熱炉によって、室温から1000℃または1500℃までの測定が可能です。
インコネル625はニッケル基超合金で、主な合金元素はクロム、モリブデン、ニオブである。スペシャルメタル社の登録商標。高い耐食性と耐酸化性を持つ。この合金は、タービンやその他の航空機エンジン部品、加熱炉用途、配管など、高温で腐食性の強い環境下で使用されることが多い。
100℃で約210GPaの貯蔵弾性率E'（黒い曲線）は、温度の上昇とともに減少し、材料は剛性を失う。400℃では200GPa弱、800℃では160GPa前後である。
tanδ（青い曲線）の経過では、713℃と808℃（ピーク温度）で2つの効果が確認できる。インコネル625のようなニッケル基合金は、定められた熱処理とそれに伴う金属間析出物の形成によって強化されます。ニッケル基合金の一般的な析出相は、強度を高める準安定面心立方 γ'相Ni3( Al, Ti)と体心立方 γ"[Nb]相である。Ni3(Nb)相である[2]。両相の生成と溶解は、tanδの713℃での効果を説明することができる。出発原料の熱処理条件に関する情報が不足しているため、より正確な結論は出せない。Petrzakら[3]は、インコネル625についても、750℃からの非干渉性平衡相δNi3(Nb, Ti)の形成を報告しており、これは約800℃でのtanδの第2ピークと相関している。
コンポーネントの静的および動的設計のための特性値を特定することに加えて、DMAは形態学的な発展-この場合は析出物の形成-についての洞察を得るためにも使用できます。
NETZSCH Analyzing & Testingは、-170°Cから500°Cまでの低温領域における材料の特性評価や、1500°Cまでの高温材料の粘弾性特性の測定にかかわらず、個々の応用分野に適したDMAを提供します。
文献
[1] Boyce, M. P. (2011). ガスタービン工学ハンドブック.Elsevier.
[2] Andersson, J. (2011).析出硬化超合金の溶接性：微細構造の影響.Chalmers Tekniska Hogskola (スウェーデン)。
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. & Blicharski, M. (2016).Acta Physica Polonica A, 130(4), 1041-1044.
