03.04.2023 by Martin Rosenschon
Dynamiczna analiza mechaniczna materiałów wysokotemperaturowych
Charakterystyka materiału powyżej 500°C za pomocą DMA
Dynamiczna analiza mechaniczna (w skrócie: DMA) to metoda określania lepkosprężystych właściwości materiałów w funkcji temperatury, czasu i częstotliwości. Głównym zastosowaniem DMA jest określanie przejść szklistych lub fazowych polimerów i kompozytów polimerowych. Oprócz przemysłu polimerowego, jest on również stosowany w technologii żywności i biomedycynie lub ogólnie w badaniach materiałówarch. Zwykle w tych obszarach charakteryzuje się lepkosprężyste zachowanie materiałów w umiarkowanych temperaturach do maksymalnie 500°C.
Jednak właściwości lepkosprężyste, takie jak Elastyczność i moduł sprężystościElastyczność gumy lub elastyczność entropijna opisuje odporność dowolnego układu gumy lub elastomeru na zewnętrznie przyłożone odkształcenie lub naprężenie. moduł magazynowania E' i Moduł lepkościModuł zespolony (składnik lepkościowy), moduł stratności lub G'' to "urojona" część ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten lepki składnik wskazuje na reakcję próbki pomiarowej podobną do cieczy lub poza fazą. moduł stratności E", odgrywają również ważną rolę w zakresie wysokich temperatur. Na przykład łopatki turbiny gazowej, często wykonane z systemów stopowych, takich jak stal, titanium lub stopy niklu, muszą być specjalnie zaprojektowane pod kątem ich obciążenia - działających sił i częstotliwości - oraz wynikających z tego temperatur.
W komorze spalania turbiny gazowej można osiągnąć temperatury przekraczające 2000°C [1]. W zależności od zastosowanej technologii chłodzenia i położenia, na łopatkach turbiny występują maksymalne temperatury od 500°C do 1000°C [1].
Rysunek 1 przedstawia pomiar DMA stopu Inconel 625 w temperaturze do 1000°C w 3-punktowym zginaniu przy użyciu wysokotemperaturowej serii DMA Eplexor®® z siłą dynamiczną do 500 N. W zależności od zainstalowanego pieca, system umożliwia pomiary od temperatury pokojowej do 1000°C lub do 1500°C.
Inconel 625 to superstop na bazie niklu z głównymi pierwiastkami stopowymi: chromem, molibdenem i niobem. Jest to zastrzeżony znak towarowy firmy Special Metals Corp. Charakteryzuje się wysoką odpornością na korozję i UtlenianieUtlenianie może opisywać różne procesy w kontekście analizy termicznej.utlenianie. Stop ten jest często stosowany w środowiskach, w których panują wysokie temperatury i warunki korozyjne, takich jak turbiny i inne części silników lotniczych, zastosowania w piecach i rurociągach.
Począwszy od około 210 GPa w temperaturze 100°C, Moduł sprężystościModuł zespolony (składnik sprężysty), moduł magazynowania lub G', jest "rzeczywistą" częścią ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten składnik sprężysty wskazuje na stałą lub fazową reakcję mierzonej próbki. moduł sprężystości E' (czarna krzywa) maleje wraz ze wzrostem temperatury, a materiał traci sztywność. W temperaturze 400°C wynosi on nieco poniżej 200 GPa, a w temperaturze 800°C około 160 GPa. Wartości te można wykorzystać na przykład do obliczenia odkształcenia łopatki turbiny w zależności od temperatury roboczej.
W przebiegu tan δ (niebieska krzywa) można zidentyfikować dwa efekty w temperaturach 713°C i 808°C (temperatura szczytowa). Stopy na bazie niklu, takie jak Inconel 625, są wzmacniane za pomocą określonej obróbki cieplnej i związanego z nią tworzenia się międzymetalicznych osadów. Typowe fazy wytrącania w stopach na bazie niklu, które zwiększają wytrzymałość, to metastabilna sześcienna faza γ' Ni3( Al, Ti) i sześcienna faza γ" Ni3(Nb) [2]. Powstawanie i rozpuszczanie obu faz może wyjaśniać efekt w temperaturze 713°C w tan δ. Bardziej precyzyjnych wniosków nie można wyciągnąć ze względu na brak informacji o warunkach obróbki cieplnej materiału wyjściowego. Petrzak et al. [3] również donosi o tworzeniu się niespójnej fazy równowagowej δ Ni3(Nb, Ti) dla Inconelu 625 od 750°C, co koreluje z drugim pikiem w tan δ w temperaturze około 800°C.
Oprócz identyfikacji wartości charakterystycznych dla statycznego i dynamicznego projektowania komponentów, DMA można również wykorzystać do uzyskania wglądu w rozwój morfologiczny - w tym przypadku tworzenie się osadów.
NETZSCH Analyzing & Testing zapewnia odpowiednie DMA dla indywidualnego obszaru zastosowania, niezależnie od tego, czy chcesz scharakteryzować materiały w zakresie niskich temperatur od -170°C do 500°C, czy też określić właściwości lepkosprężyste materiałów wysokotemperaturowych do 1500°C.
Literatura:
[1] Boyce, M. P. (2011), Gas turbine engineering handbook. Elsevier.
[2] Andersson, J. (2011). Spawalność nadstopów utwardzanych wydzieleniowo: wpływ mikrostruktury. Chalmers Tekniska Hogskola (Szwecja).
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. & Blicharski, M. (2016). Analiza przemian fazowych w stopie Inconel 625 podczas wyżarzania. Acta Physica Polonica A, 130(4), 1041-1044.
