Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 14 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska Materiały edukacyjne
Pełzanie
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> 0.4-0.5 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.
Rury ołowiane T M ~ 600K temperatura pokojowa (300K) jest wysoka dla ołowiu! Rury ołowiane zauważalnie pełzają w miarę upływu czasu
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
Pełzanie Występuje w podwyższonych temperaturach, T > 0.4 T topnienia (T M )
II etap pełzania większość elementów pracuje w tym zakresie. odkształcenie jest stałe przy założonej T, σ umocnienie odkształceniowe jest równoważone przez zdrowienie
odkształcenie wzrasta przy wzroście T, σ
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
Jakie są skutki pełzania? Relaksacja spowodowana pełzaniem zmniejszenie naprężeń przy stałym odkształceniu. przykład; śruba wstępnie naprężona poddana działaniu wysokich temperatur Całkowite odkształcenie pozostaje stałe
Odkształcenie w wyniku pełzania narasta w czasie; Odkształcenie sprężyste zanika (relaksacja) Zastąpienie odkształcenia sprężystego przez pełzanie w funkcji czasu, w wysokiej temperaturze
Co można zrobić dla zapewnienia odpowiedniego napięcia śruby? Odstępy czasu między którymi należy śrubę dokręcać ponieważ naprężenia spadają poniżej 50%:
Jakie materiały zastosować w warunkach pełzania?
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
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)
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
Łopatka silnika lotniczego
Schemat silnika odrzutowego
Materiały stosowane w budowie turbiny lotniczej
Jak zmieniają się własności wytrzymałościowe w zależności od temperatury? Jakie stopy najdłużej zachowują własności wytrzymałościowe?
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
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)
Temperatury topnienia materiałów możliwych do zastosowania w wysokich temperaturach. Co wybrać?
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 );
Jak mikrostruktura wpływa na żywotność stopu?
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. 33600 $ W materiale może wystąpić znaczne pełzanie dyfuzyjne i doprowadzić do zniszczenia, w wyniku powstawania szczelin!
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.
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.
Onyszko, A. ; Kubiak, K.; Method for production of single crystal superalloys turbine blades; Archives of Metallurgy and Materials 2009, Vol. 54,
Poprawa własności przy zastosowaniu różnych technologii wytwarzania http://dev.squarecows.com
Co jeszcze można zrobić dla podwyższenia temperatury pracy łopatki?
Możliwa do osiągnięcia temperatura na wlocie silnika w zależność od technologii wytwarzania łopatki
Zmiana konstrukcji łopatka chłodzona powietrzem
http://www.iot.rwth-aachen.de
Gradient temperatury w łopatce pokrytej TBC- powłoką barierą termiczną
Padture et al., Science, 296:2002, 280-284, 'Themal barrier coatings for gas-turbine engine applications.
Właściwości materiałów na powłoki bariery cieplne
http://www.bren.ucsb.edu/facilities/meiaf/images.html Mikrostruktura warstwa TBO z tlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru
Schemat budowy łopatki z warstwą TBC własności poszczególnych warstw
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
Kompozyty na osnowie tytanu
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
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]