03.04.2023 by Martin Rosenschon
Dynamisk mekanisk analys för högtemperaturmaterial
Materialkarakterisering över 500°C med hjälp av DMA
Dynamisk mekanisk analys (förkortat: DMA) är en metod för att bestämma materialens viskoelastiska egenskaper som en funktion av temperatur, tid och frekvens. Den huvudsakliga tillämpningen av DMA är bestämning av glasövergångar eller FasövergångarBegreppet fasövergång (eller fasförändring) används oftast för att beskriva övergångar mellan fast, flytande och gasformigt tillstånd.fasövergångar hos polymerer och polymerkompositer. Förutom inom polymerindustrin används metoden även inom livsmedelsteknik och biomedicin eller inom materialforskning i allmänhet. Vanligtvis karakteriseras det viskoelastiska beteendet hos material vid måttliga temperaturer upp till maximalt 500°C inom dessa områden.
Viskoelastiska egenskaper som lagringsmodul E' och ViskositetsmodulDen komplexa modulen (viskösa komponenten), förlustmodulen eller G'', är den "imaginära" delen av provets totala komplexa modul. Den viskösa komponenten indikerar det vätskeliknande, eller ur fas, svaret hos det prov som mäts. förlustmodul E" spelar emellertid också en viktig roll i högtemperaturområdet. Exempelvis måste bladen i en gasturbin, som ofta tillverkas av legeringssystem som stål, titan eller nickellegeringar, vara speciellt utformade för sin belastning - de krafter och frekvenser som verkar - och de resulterande temperaturerna.
Temperaturer på mer än 2 000 °C kan uppnås i förbränningskammaren i en gasturbin [1]. Beroende på vilken kylteknik som används och var den är placerad uppstår maximala temperaturer på mellan 500°C och 1000°C vid turbinbladen [1].
Bild 1 visar en DMA-mätning av en Inconel 625-legering upp till 1000°C i 3-punktsböjning med DMA Eplexor®® högtemperaturserie med upp till 500 N dynamisk kraft. Beroende på vilken ugn som installeras möjliggör systemet mätningar från rumstemperatur upp till 1000°C eller upp till 1500°C.
Inconel 625 är en nickelbaserad superlegering med de viktigaste legeringselementen krom, molybden och niob. Detta är ett registrerat varumärke som tillhör Special Metals Corp. Den har en hög motståndskraft mot korrosion och OxideringOxidation kan beskriva olika processer i samband med termisk analys.oxidation. Legeringen används ofta i miljöer där höga temperaturer och korrosiva förhållanden råder, t.ex. i turbiner och andra delar till flygplansmotorer, ugnsapplikationer och rörledningar.
Med början på cirka 210 GPa vid 100°C minskar lagringsmodulen E' (svart kurva) med ökande temperatur och materialet förlorar styvhet. Vid 400°C är den strax under 200 GPa och vid 800°C är den runt 160 GPa. Dessa värden kan t.ex. användas för att beräkna deformationen av ett turbinblad beroende på driftstemperaturen.
I förloppet för tan δ (blå kurva) kan två effekter identifieras vid 713°C och 808°C (topptemperatur). Nickelbaserade legeringar som Inconel 625 förstärks genom en definierad värmebehandling och den därmed sammanhängande bildningen av intermetalliska utskiljningar. Typiska utskiljningsfaser i nickelbaserade legeringar, som ökar hållfastheten, är den metastabila ansiktscentrerade kubiska γ'-fasen Ni3 (Al, Ti) och den kroppscentrerade kubiska γ" Ni3(Nb)-fas [2]. Bildandet och upplösningen av båda faserna kan förklara effekten vid 713°C i tan δ. Mer exakta slutsatser kan inte dras på grund av brist på information om värmebehandlingsförhållandena för utgångsmaterialet. Petrzak et al [3] rapporterar också för Inconel 625 bildandet av den inkoherenta jämviktsfasen δ Ni3(Nb, Ti) från 750°C, vilket korrelerar med den andra toppen i tan δ vid cirka 800°C.
Förutom att identifiera karakteristiska värden för en statisk och dynamisk design av komponenter kan DMA också användas för att få insikter i den morfologiska utvecklingen - i detta fall bildandet av utfällningar.
NETZSCH Analyzing & Testing tillhandahåller rätt DMA för ditt individuella användningsområde, oavsett om du vill karakterisera material i lågtemperaturområdet från -170°C till 500°C eller bestämma de viskoelastiska egenskaperna hos högtemperaturmaterial upp till 1500°C.
Litteratur:
[1] Boyce, M. P. (2011): Gas turbine engineering handbook. Elsevier.
[2] Andersson, J. (2011). Svetsbarhet hos utskiljningshärdande superlegeringar: mikrostrukturens inverkan. Chalmers Tekniska Hogskola (Sverige).
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. & Blicharski, M. (2016). Analys av fasomvandlingar i legeringen Inconel 625 under glödgning. Acta Physica Polonica A, 130(4), 1041-1044.
