03.04.2023 by Martin Rosenschon
Dynamische mechanische analyse voor materialen bij hoge temperatuur
Materiaalkarakterisering boven 500°C met DMA
Dynamische Mechanische Analyse (kort: DMA) is een methode om de visco-elastische eigenschappen van materialen te bepalen als functie van temperatuur, tijd en frequentie. De belangrijkste toepassing van DMA is het bepalen van glasovergangen of FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergangen van polymeren en polymeercomposieten. Behalve in de polymeerindustrie wordt het ook gebruikt in de voedingstechnologie en de biogeneeskunde of bij materiaalonderzoek in het algemeen. Gewoonlijk wordt het visco-elastische gedrag van materialen bij gematigde temperaturen tot maximaal 500 °C in deze gebieden gekarakteriseerd.
Visco-elastische eigenschappen zoals Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus E' en Viskeuze modulusDe complexe modulus (viskeuze component), verliesmodulus of G'', is het "imaginaire" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze viskeuze component geeft de vloeistofachtige, of uit fase, respons van het te meten monster aan. verliesmodulus E" spelen echter ook een belangrijke rol bij hoge temperaturen. De schoepen van een gasturbine bijvoorbeeld, die vaak gemaakt zijn van gelegeerde systemen zoals staal, titanium of nikkellegeringen, moeten speciaal ontworpen zijn voor hun belasting - de krachten en frequenties die optreden - en de resulterende temperaturen.
In de verbrandingskamer van een gasturbine kunnen temperaturen van meer dan 2000°C bereikt worden [1]. Afhankelijk van de gebruikte koeltechnologie en de positie ontstaan er maximumtemperaturen tussen 500°C en 1000°C aan de turbinebladen [1].
Figuur 1 toont een DMA meting van een Inconel 625 legering tot 1000°C in een 3-punts buiging met behulp van de DMA Eplexor®® hoge-temperatuurserie met een dynamische kracht tot 500 N. Afhankelijk van de geïnstalleerde oven maakt het systeem metingen mogelijk van kamertemperatuur tot 1000°C of tot 1500°C.
Inconel 625 is een superlegering op basis van nikkel met de belangrijkste legeringselementen chroom, molybdeen en niobium. Dit is een geregistreerd handelsmerk van Special Metals Corp. Het heeft een hoge weerstand tegen corrosie en OxidatieOxidatie kan verschillende processen beschrijven in de context van thermische analyse.oxidatie. De legering wordt vaak gebruikt in omgevingen waar hoge temperaturen en corrosieve omstandigheden heersen, zoals in turbines en andere onderdelen van vliegtuigmotoren, oventoepassingen en pijpleidingen.
Beginnend bij ongeveer 210 GPa bij 100°C, neemt de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus E' (zwarte curve) af met toenemende temperatuur en verliest het materiaal aan stijfheid. Bij 400°C is hij net onder 200 GPa en bij 800°C rond 160 GPa. Deze waarden kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om de vervorming van een turbineblad te berekenen afhankelijk van de bedrijfstemperatuur.
In het verloop van de tan δ (blauwe curve) kunnen twee effecten worden geïdentificeerd bij 713°C en 808°C (piektemperatuur). Op nikkel gebaseerde legeringen zoals Inconel 625 worden versterkt door middel van een gedefinieerde warmtebehandeling en de bijbehorende vorming van intermetallische precipitaten. Typische precipitatiefasen in legeringen op basis van nikkel, die de sterkte verhogen, zijn de metastabiele face-centered cubic γ'-fase Ni3( Al, Ti) en de body-centered cubic γ" Ni3(Nb)-fase [2]. De vorming en oplossing van beide fasen zou het effect bij 713 °C in tan δ kunnen verklaren. Meer precieze conclusies kunnen niet worden getrokken vanwege een gebrek aan informatie over de warmtebehandelingsconditie van het uitgangsmateriaal. Petrzak et al. [3] melden ook voor Inconel 625 de vorming van de onsamenhangende evenwichtsfase δ Ni3(Nb, Ti) vanaf 750 °C, die correleert met de tweede piek in tan δ bij ongeveer 800 °C.
Naast het identificeren van karakteristieke waarden voor een statisch en dynamisch ontwerp van componenten, kan DMA ook worden gebruikt om inzicht te krijgen in de morfologische ontwikkeling - in dit geval de vorming van precipitaties.
NETZSCH Analyzing & Testing levert de juiste DMA voor uw individuele toepassingsgebied, ongeacht of u materialen wilt karakteriseren in het lage-temperatuurbereik van -170°C tot 500°C of de visco-elastische eigenschappen wilt bepalen van hoge-temperatuurmaterialen tot 1500°C.
Literatuur:
[1] Boyce, M. P. (2011). Gas turbine engineering handbook. Elsevier.
[2] Andersson, J. (2011). Lasbaarheid van precipitatiehardende superlegeringen: invloed van microstructuur. Chalmers Tekniska Hogskola (Zweden).
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. & Blicharski, M. (2016). Analyse van fasetransformaties in Inconel 625-legering tijdens gloeien. Acta Physica Polonica A, 130(4), 1041-1044.
