03.04.2023 by Martin Rosenschon
Analiza mecanică dinamică pentru materiale la temperaturi înalte
Caracterizarea materialelor la peste 500°C cu ajutorul DMA
Analiza mecanică dinamică (prescurtat: DMA) este o metodă de determinare a proprietăților viscoelastice ale materialelor în funcție de temperatură, timp și frecvență. Principala aplicație a DMA este determinarea tranzițiilor vitroase sau a tranzițiilor de fază ale polimerilor și compozitelor polimerice. În plus față de industria polimerilor, aceasta este utilizată și în tehnologia alimentară și biomedicină sau în cercetarea materialelor în general. De obicei, în aceste domenii se caracterizează comportamentul vâscoelastic al materialelor la temperaturi moderate până la maximum 500°C.
Cu toate acestea, caracteristicile viscoelastice precum Elasticitate și modul de elasticitateElasticitatea cauciucului sau elasticitatea entropică descrie rezistența oricărui sistem de cauciuc sau elastomer la o deformare sau tensiune aplicată din exterior. modulul de stocare E' și modulul de pierdere E" joacă, de asemenea, un rol important în domeniul temperaturilor ridicate. De exemplu, paletele unei turbine cu gaz, adesea realizate din sisteme de aliaje precum oțelul, titanul sau aliajele de nichel, trebuie să fie proiectate special pentru sarcina lor - forțele și frecvențele care acționează - și pentru temperaturile rezultate.
În camera de ardere a unei turbine cu gaz se pot atinge temperaturi de peste 2 000°C [1]. În funcție de tehnologia de răcire utilizată și de poziție, temperaturile maxime cuprinse între 500°C și 1000°C apar la paletele turbinei [1].
Figura 1 prezintă o măsurătoare DMA a unui aliaj Inconel 625 la o temperatură de până la 1000°C în încovoiere în 3 puncte, utilizând seria DMA Eplexor®® pentru temperaturi ridicate cu o forță dinamică de până la 500 N. În funcție de cuptorul instalat, sistemul permite măsurători de la temperatura camerei până la 1000°C sau până la 1500°C.
Inconel 625 este un superaliaj pe bază de nichel cu principalele elemente de aliere crom, molibden și niobiu. Aceasta este o marcă înregistrată a Special Metals Corp. Are o rezistență ridicată la coroziune și OxidareOxidarea poate descrie diferite procese în contextul analizei termice.oxidare. Acest aliaj este adesea utilizat în medii în care predomină temperaturile ridicate și condițiile corozive, cum ar fi turbinele și alte componente ale motoarelor de aeronave, aplicațiile cuptoarelor și conductele.
Începând de la aproximativ 210 GPa la 100°C, Elasticitate și modul de elasticitateElasticitatea cauciucului sau elasticitatea entropică descrie rezistența oricărui sistem de cauciuc sau elastomer la o deformare sau tensiune aplicată din exterior. modulul de stocare E' (curba neagră) scade odată cu creșterea temperaturii și materialul își pierde rigiditatea. La 400°C este puțin sub 200 GPa, iar la 800°C este în jur de 160 GPa. Aceste valori ar putea fi utilizate, de exemplu, pentru a calcula deformarea unei pale de turbină în funcție de temperatura de funcționare.
În evoluția tan δ (curba albastră), pot fi identificate două efecte la 713°C și 808°C (temperatura maximă). Aliajele pe bază de nichel, cum ar fi Inconel 625, sunt consolidate prin intermediul unui tratament termic definit și al formării asociate a precipitatelor intermetalice. Fazele de precipitare tipice în aliajele pe bază de nichel, care cresc rezistența, sunt faza γ' cubică metastabilă față-centrată Ni3( Al, Ti) și faza γ" cubică corp-centrată Ni3(Nb) [2]. Formarea și dizolvarea ambelor faze ar putea explica efectul la 713°C în tan δ. Nu se pot face concluzii mai precise din cauza lipsei de informații cu privire la condiția de tratament termic a materialului de plecare. Petrzak et al. [3] raportează, de asemenea, pentru Inconel 625 formarea fazei de echilibru incoerent δ Ni3(Nb, Ti) de la 750°C, care se corelează cu al doilea vârf în tan δ la aproximativ 800°C.
În plus față de identificarea valorilor caracteristice pentru o proiectare statică și dinamică a componentelor, DMA poate fi, de asemenea, utilizat pentru a obține informații despre dezvoltarea morfologică - în acest caz, formarea de precipitații.
NETZSCH Analyzing & Testing oferă DMA-ul potrivit pentru domeniul dumneavoastră individual de aplicare, indiferent dacă doriți să caracterizați materiale în intervalul de temperaturi scăzute de la -170°C la 500°C sau să determinați proprietățile viscoelastice ale materialelor la temperaturi ridicate de până la 1500°C.
Literatura de specialitate:
[1] Boyce, M. P. (2011), Gas turbine engineering handbook. Elsevier.
[2] Andersson, J. (2011). Sudabilitatea superaliajelor cu întărire prin precipitare: influența microstructurii. Chalmers Tekniska Hogskola (Suedia).
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. & Blicharski, M. (2016). Analiza transformărilor de fază în aliajul Inconel 625 în timpul recoacerii. Acta Physica Polonica A, 130(4), 1041-1044.
