03.04.2023 by Martin Rosenschon
Динамический механический анализ высокотемпературных материалов
Характеристика материалов при температуре выше 500°C с помощью ДМА
Динамический механический анализ (сокращенно ДМА) - это метод определения вязкоупругих свойств материалов в зависимости от температуры, времени и частоты. Основное применение ДМА - определение стеклования или фазовых переходов полимеров и полимерных композитов. Помимо полимерной промышленности, он также используется в пищевой технологии и биомедицине или в исследованиях материаловarch в целом. Как правило, в этих областях характеризуется вязкоупругое поведение материалов при умеренных температурах, максимум до 500°C.
Однако такие вязкоупругие характеристики, как модуль упругости E' и модуль потерь E", играют важную роль и в высокотемпературном диапазоне. Например, лопатки газовой турбины, часто изготавливаемые из таких сплавов, как сталь, titanили никелевые сплавы, должны быть специально рассчитаны на нагрузку - действующие силы и частоты - и возникающие при этом температуры.
В камере сгорания газовой турбины могут достигаться температуры более 2 000°C [1]. В зависимости от используемой технологии охлаждения и положения лопаток турбины максимальные температуры составляют от 500°C до 1000°C [1].
На рис. 1 показано измерение DMA сплава Inconel 625 при температуре до 1000°C при трехточечном изгибе с помощью высокотемпературной серии DMA Eplexor®® с динамическим усилием до 500 Н. В зависимости от установленной печи система позволяет проводить измерения при комнатной температуре до 1000°C или до 1500°C.
Inconel 625 - это суперсплав на основе никеля с основными легирующими элементами хромом, молибденом и ниобием. Является зарегистрированной торговой маркой компании Special Metals Corp. Он обладает высокой устойчивостью к коррозии и окислению. Сплав часто используется в средах, где преобладают высокие температуры и коррозионные условия, например, в турбинах и других деталях авиационных двигателей, печных установках и трубопроводах.
Модуль упругости E' (черная кривая), начиная с 210 ГПа при 100°C, уменьшается с ростом температуры, и материал теряет жесткость. При 400°C он составляет чуть менее 200 ГПа, а при 800°C - около 160 ГПа. Эти значения можно использовать, например, для расчета деформации лопатки турбины в зависимости от рабочей температуры.
В процессе изменения тангенса угла δ (синяя кривая) можно выделить два эффекта при 713°C и 808°C (пиковая температура). Сплавы на основе никеля, такие как Inconel 625, упрочняются с помощью определенной термической обработки и связанного с ней образования интерметаллических осадков. Типичными фазами осаждения в сплавах на основе никеля, которые повышают прочность, являются метастабильная гранецентрированная кубическая γ' фаза Ni3( Al, Ti) и телецентрированная кубическая γ" Ni3(Nb) [2]. Образование и растворение обеих фаз может объяснить эффект изменения тангенса δ при 713°C. Более точные выводы не могут быть сделаны из-за отсутствия информации об условиях термообработки исходного материала. Петржак и др. [3] также сообщают для Inconel 625 об образовании некогерентной равновесной фазы δ Ni3(Nb, Ti) начиная с 750°C, что коррелирует со вторым пиком в тангенсе угла δ при температуре около 800°C.
Помимо определения характерных значений для статического и динамического проектирования компонентов, DMA также можно использовать для получения информации о морфологическом развитии - в данном случае об образовании осадков.
NETZSCH Компания Analyzing & Testing предлагает подходящий DMA для вашей конкретной области применения, независимо от того, хотите ли вы определить характеристики материалов в низкотемпературном диапазоне от -170°C до 500°C или определить вязкоупругие свойства высокотемпературных материалов до 1500°C.
Литература:
[1] Бойс, М. П. (2011). Справочник по газотурбостроению. Elsevier.
[2] Andersson, J. (2011). Свариваемость суперсплавов, закаливающихся под действием осадков: влияние микроструктуры. Chalmers Tekniska Hogskola (Швеция).
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. & Blicharski, M. (2016). Анализ фазовых превращений в сплаве Inconel 625 при отжиге. Acta Physica Polonica A, 130(4), 1041-1044.
