Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 14

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 14"

Ksawery Ludwik Szymański
7 lat temu
Przeglądów:

1 Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 14 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska Materiały edukacyjne

2 Pełzanie

3 Zjawisko powolnego odkształcania się ciał pod wpływem ustalonych obciążeń, w wysokich temperaturach, nazywamy pełzaniem. Zjawisko spadku naprężenia w ciałach poddanych ustalonym odkształceniom nazywamy relaksacją.

Co to znaczy wysoka temperatura? należy porównać temperaturę pracy z temperaturą topnienia materiału T M Zjawiska pełzania dotyczą zakresu dla T> 0.3-0.4 T M (w K) dla metali i T> 0.4-0.

4 Co to znaczy wysoka temperatura? należy porównać temperaturę pracy z temperaturą topnienia materiału T M Zjawiska pełzania dotyczą zakresu dla T> T M (w K) dla metali i T> T M (w K) dla ceramiki. Włókno wolframowe żarówki T M ~ 3000 C (3273K) temperatura pokojowa (300K) jest bardzo niska dla wolframu Temperatura pracy (2273K) jest wysoka Włókno wolframowe pełza w temperaturze pracy! Wydłuża się i zwisa pod własnym ciężarem dopóki nie dojdzie do zwarcia.

5 Rury ołowiane T M ~ 600K temperatura pokojowa (300K) jest wysoka dla ołowiu! Rury ołowiane zauważalnie pełzają w miarę upływu czasu

6 Antarktyczne czapy lodowe T M ~ 0 C(273K) temperatura pokojowa jest bardzo wysoka dla lodu! Czapy lodowe pełzają w temperaturze Antarktyki (-30 C). Lodowce przesuwają się, schodzą lawiny

7 Pełzanie Występuje w podwyższonych temperaturach, T > 0.4 T topnienia (T M )

8 II etap pełzania większość elementów pracuje w tym zakresie. odkształcenie jest stałe przy założonej T, σ umocnienie odkształceniowe jest równoważone przez zdrowienie

9 odkształcenie wzrasta przy wzroście T, σ

10 Mechanizmy pełzania w zależności od temperatury i wielkości naprężeń Ashby M.F., Jones D.R.H. Materiały inżynierskie - Właściwości i zastosowania - tom 1. WNT, Warszawa 1996

11 Jakie są skutki pełzania? Relaksacja spowodowana pełzaniem zmniejszenie naprężeń przy stałym odkształceniu. przykład; śruba wstępnie naprężona poddana działaniu wysokich temperatur Całkowite odkształcenie pozostaje stałe

12 Odkształcenie w wyniku pełzania narasta w czasie; Odkształcenie sprężyste zanika (relaksacja) Zastąpienie odkształcenia sprężystego przez pełzanie w funkcji czasu, w wysokiej temperaturze

13 Co można zrobić dla zapewnienia odpowiedniego napięcia śruby? Odstępy czasu między którymi należy śrubę dokręcać ponieważ naprężenia spadają poniżej 50%:

14 Jakie materiały zastosować w warunkach pełzania?

15 Stopy i ceramiki odporne na płynięcie (pełzanie) dyfuzyjne po granicach ziarn Materiały o wysokiej temperaturze topnienia dyfuzja zależy od T/T M Należy maksymalnie utrudnić wydłużyć drogę dyfuzji po granicach ziarn- duże ziarno lub monokryształ Stworzyć warunki powstania wydzieleń na granicach, celu ograniczenia poślizgu granic ziarn

16 Stopy i ceramiki odporne na pełzanie dyslokacyjne Materiały o wysokiej temperaturze topnienia dyfuzja zależy od T/T M Należy maksymalnie utrudnić ruch dyslokacji przez utworzenie roztworów stałych i wydzieleń dyspersyjnych Stosować materiały o typie sieci krystalograficznej stwarzającej największe opory tzn. o wiązaniu kowalencyjnym (tlenki, krzemiany, węgliki)

17 Przykładowe materiały RR58; stop Al, O strukturze roztworu stałego z wydzieleniami; temp. pracy do 150 C, niska gęstość Wysokostopowe stale odporne na korozję (304, 316, 321); roztwory stałe Ni i Cr w Fe; węgliki i fazy międzymetaliczne; temp. pracy do 600 C Niskostopowe stale ferrytyczne; roztwory stałe Cr, Mo i V w Fe; węgliki; temp. pracy do 650 C Nadstopy na bazie niklu; szeroka gama stopów niklu o strukturze roztworów stałych (Cr, W, Co) oraz węgliki i fazy międzymetaliczne; temp. pracy do 950 C Żaroodporne tlenki i węgliki; głównie tlenek aluminium, ceramiki bazujące na dwutlenku krzemu, węglik krzemu, azotek krzemu, sialony (Si3N4 i Al2O3); temp. pracy teoretycznie do 1300 C

18 Łopatka silnika lotniczego

19 Schemat silnika odrzutowego

21 Materiały stosowane w budowie turbiny lotniczej

22 Jak zmieniają się własności wytrzymałościowe w zależności od temperatury? Jakie stopy najdłużej zachowują własności wytrzymałościowe?

23 Łopatka turbiny pracuje w wysokich temperaturach. poddana jest oddziaływaniu sił odśrodkowych. podczas pracy możliwe jest pełzanie prowadzące do pęknięcia po odkształceniu należy zastosować materiał odporny na pełzanie Pozostałe wymagania dotyczące materiału Odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze Odporność na uszkodzenia dynamiczne Odporność na zmęczenie wywołane zmianami temperatury Stabilność cieplna Mała gęstość

24 Łopatka turbiny Teoretyczna termodynamiczna sprawność silnika cieplnego to: T 1 T2 T1 1 T T 1 2 Gdzie T 1 i T 2 to odpowiednio temperatura (K) źródła ciepła i na wylocie z silnika. Stąd dążenie do jak najwyższej temperatury na wylocie (pożądane nawet 1500 C)

25 Temperatury topnienia materiałów możliwych do zastosowania w wysokich temperaturach. Co wybrać?

26 Skład chemiczny typowych materiałów odpornych na pełzanie, stosowanych na łopatki turbin Funkcje składników: Umocnienie roztworowe - Co, W, Cr Utworzenie stabilnych, twardych wydzieleń Ni3Al, Ni3Ti, MoC, TaC hamowanie ruchu dyslokacji Utworzenie ochronnej warstwy tlenków Cr 2 O 3 pierwiastek % wg pierwiastek % wg Ni 59 Mo 0,25 Co 10 C 0,15 W 10 Si 0,1 Cr 9 Mn 0,1 Al 5,5 Cu 0,05 Ta 2,5 Zr 0,05 Ti 1,5 B 0,015 Hf 1,5 S <0,008 Fe 0,25 Pb <0,0005 Odporność na pełzanie do temp. 850 C przy temp. topnienia 1280 C (0,72 T M );

27 Jak mikrostruktura wpływa na żywotność stopu?

28 Odlewanie nadstopów niklu metodą wosku traconego Ashby M.F., Jones D.R.H. Materiały inżynierskie - Właściwości i zastosowania - tom 1. WNT, Warszawa 1996 Woskowy model łopatki jest umieszczany w paście z tlenku aluminium, a następnie wypalany. Wosk wytapia się pozostawiając dokładną formę, w której może być wykonana jedna łopatka przez zalanie ciekłym stopem. Jedna łopatka wykonana tą metodą kosztuje ok. 330$, z czego tylko 22$ kosztuje materiał. Całkowity koszt wirnika zawierającego 102 łopatki wynosi ok $ W materiale może wystąpić znaczne pełzanie dyfuzyjne i doprowadzić do zniszczenia, w wyniku powstawania szczelin!

29 Ashby M.F., Jones D.R.H. Materiały inżynierskie - Właściwości i zastosowania - tom 1. WNT, Warszawa 1996 Krystalizacja kierunkowa materiału na łopatki. Uzyskuje się materiał o wydłużonych ziarnach lub nawet monokrystaliczny pozbawiony granic ziarn.

30 Łopatka jest krystalizowana kierunkowo a zastosowanie spiralnego selektora ( pig tail ) pozwala na rozrost tylko jednego kryształu i w efekcie wytworzenie łopatki monokrystalicznej. Masa typowej łopatki wynosi do ok. 2,3 kg.

31 Onyszko, A. ; Kubiak, K.; Method for production of single crystal superalloys turbine blades; Archives of Metallurgy and Materials 2009, Vol. 54,

32 Poprawa własności przy zastosowaniu różnych technologii wytwarzania

33 Co jeszcze można zrobić dla podwyższenia temperatury pracy łopatki?

34 Możliwa do osiągnięcia temperatura na wlocie silnika w zależność od technologii wytwarzania łopatki

35 Zmiana konstrukcji łopatka chłodzona powietrzem

37 Gradient temperatury w łopatce pokrytej TBC- powłoką barierą termiczną

38 Padture et al., Science, 296:2002, , 'Themal barrier coatings for gas-turbine engine applications.

39 Właściwości materiałów na powłoki bariery cieplne

http://www.bren.ucsb.edu/facilities/meiaf/images.

40 Mikrostruktura warstwa TBO z tlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru

41 Schemat budowy łopatki z warstwą TBC własności poszczególnych warstw

42 Materiały kompozytowe Budowa kompozytu włóknistego krystalizowanego in situ Ni(Cr-Al)- TiC, węgliki TiC w osnowie / Ashby M.F., Jones D.R.H. Materiały inżynierskie - Właściwości i zastosowania - tom 1. WNT, Warszawa 1996

43 Kompozyty na osnowie tytanu

Bettge, B. Günther, P. D. Portella, B. Skrotzki, J. Hemptenmacher, P. W.M.

44 Zbrojenie: włókna SiC (średnica 140μm) pokryte stopem tytanu Osnowa: Ti 6Al 2Sn 4Zr 2Mo 0.08Si (Ti6242S) Fatigue Behavior and Fatigue Damage of a Ti-6242/SCS-6 Metal Matrix Composite; D. Bettge, B. Günther, P. D. Portella, B. Skrotzki, J. Hemptenmacher, P. W.M. Peters; Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), Berlin, Germany, German Aerospace Center (DLR), Cologne, Germany

45 Kompozyty C/C oraz wzmocnione włóknami ceramicznymi własności wytrzymałościowe w zależności od temperatury [Kagawa, Y. C/C composites, New Materials Technology & Applications, 2(3),1991]

Podobne dokumenty

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 11

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 11 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska Materiały edukacyjne Zbiornik ciśnieniowy Część I Ashby