03.04.2023 by Martin Rosenschon
고온 재료에 대한 동적 기계 해석
DMA를 통한 500°C 이상의 재료 특성 분석
동적 기계 분석 (약어: DMA)은 온도, 시간 및 주파수의 함수로서 재료의 점탄성 특성을 측정하는 방법입니다. DMA의 주요 응용 분야는 폴리머 및 폴리머 복합체의 유리 전이 또는 상 전이를 측정하는 것입니다. 폴리머 산업 외에도 식품 기술 및 생물의학 또는 일반적인 재료 연구에도 사용됩니다. 일반적으로 이러한 분야에서는 최대 500°C의 중간 온도에서 재료의 점탄성 거동이 특징적으로 나타납니다.
그러나 고온 범위에서는 저장탄성계수 E' 및 손실탄성계수 E" 같은 점탄성 특성도 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 강철, 티타늄 또는 니켈 합금과 같은 합금 시스템으로 제작되는 가스 터빈의 블레이드는 부하(작용하는 힘과 주파수) 및 결과 온도에 맞게 특별히 설계되어야 합니다.
가스 터빈의 연소실에서는 2,000°C 이상의 온도에 도달할 수 있습니다[1]. 사용되는 냉각 기술과 위치에 따라 터빈 블레이드에서 500°C에서 1000°C 사이의 최대 온도가 발생합니다[1].
그림 1은 최대 500N의 동적 힘으로 DMA Eplexor®® 고온 시리즈를 사용하여 3점 굽힘에서 최대 1000°C까지 인코넬 625 합금의 DMA 측정값을 보여줍니다. 설치된 퍼니스에 따라 이 시스템은 실온에서 최대 1000°C 또는 최대 1500°C까지 측정할 수 있습니다(
).
인코넬 625는 크롬, 몰리브덴, 니오브를 주요 합금 원소로 하는 니켈 기반 초합금입니다. 이것은 Special Metals Corp의 등록 상표입니다. 부식과 산화에 대한 저항성이 높습니다. 이 합금은 터빈 및 기타 항공기 엔진 부품, 용광로 응용 분야 및 배관과 같이 고온 및 부식성 조건이 지배적인 환경에서 자주 사용됩니다.
100°C에서 약 210 GPa에서 시작하는 저장탄성계수 E'(검은색 곡선)는 온도가 증가함에 따라 감소하고 재료의 강성이 감소합니다. 400°C에서는 200 GPa 미만, 800°C에서는 약 160 GPa입니다. 이 값은 예를 들어 작동 온도에 따른 터빈 블레이드의 변형을 계산하는 데 사용할 수 있습니다.
탄 δ(파란색 곡선) 과정에서 713°C와 808°C(피크 온도)에서 두 가지 효과를 확인할 수 있습니다. 인코넬 625와 같은 니켈 기반 합금은 정해진 열처리와 이에 따른 금속 간 침전물 형성을 통해 강화됩니다. 강도를 증가시키는 니켈 기반 합금의 일반적인 침전 단계는 준안정적인 면 중심 입방 γ' 상 Ni3( Al, Ti)와 몸체 중심 입방 γ" 상입니다 Ni3(Nb) 상입니다[2]. 두 단계의 형성과 용해는 713°C에서 황갈색 δ의 효과를 설명할 수 있습니다. 출발 물질의 열처리 조건에 대한 정보가 부족하기 때문에 더 정확한 결론을 내릴 수는 없습니다. Petrzak 등[3]은 또한 인코넬 625에 대해 750°C에서 비균일 평형상 δ Ni3(Nb, Ti)가 형성되며, 이는 약 800°C에서 tan δ의 두 번째 피크와 상관관계가 있다고 보고했습니다.
DMA는 부품의 정적 및 동적 설계에 대한 특성 값을 식별하는 것 외에도 형태학적 발달(이 경우 침전물 형성)에 대한 통찰력을 얻는 데에도 사용할 수 있습니다.
NETZSCH 분석 및 테스트는 -170°C ~ 500°C의 저온 범위에서 재료를 특성화하든 최대 1500°C의 고온 재료의 점탄성 특성을 결정하든 관계없이 개별 응용 분야에 적합한 DMA를 제공합니다.
문헌:
[1] Boyce, M. P. (2011). 가스 터빈 엔지니어링 핸드북. Elsevier.
[2] Andersson, J. (2011). 강수량 경화 초합금의 용접성: 미세 구조의 영향. 찰머스 테크니스카 호그스콜라 (스웨덴).
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. & Blicharski, M. (2016). 어닐링 중 인코넬 625 합금의 상변형 분석. Acta Physica Polonica A, 130(4), 1041-1044.
