Dobór materiałów konstrukcyjnych

Transkrypt

Dobór materiałów
konstrukcyjnych cz. 14
dr inż. Hanna Smoleńska
Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania
Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska
Materiały edukacyjne
Publikacja współfinansowana
ze środków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
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 TM
•Zjawiska pełzania dotyczą zakresu dla T> 0.3-0.4 TM
(w K) dla metali i T> 0.4-0.5 TM (w K) dla ceramiki.
Włókno wolframowe żarówki
•TM~ 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
•TM~ 600K
• temperatura pokojowa (300K) jest wysoka dla ołowiu!
•Rury ołowiane zauważalnie pełzają w miarę upływu czasu
Antarktyczne czapy lodowe
•TM~ 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 (TM )
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/TM
• 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/TM
• 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:
T1  T2
T1
 1
T1
T2
Gdzie T1 i T2 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
pierwiastek
% wg
pierwiastek
% wg
Ni
59
Mo
0,25
Co
10
C
0,15
W
10
Si
0,1
•Utworzenie stabilnych,
twardych wydzieleń –
Ni3Al, Ni3Ti, MoC, TaC –
hamowanie ruchu
dyslokacji
Cr
9
Mn
0,1
Al
5,5
Cu
0,05
Ta
2,5
Zr
0,05
Ti
1,5
B
0,015
•Utworzenie ochronnej
warstwy tlenków – Cr2O3
Hf
1,5
S
<0,008
Fe
0,25
Pb
<0,0005
Funkcje składników:
•Umocnienie roztworowe
- Co, W, Cr
Odporność na pełzanie do temp. 850°C przy temp. topnienia 1280°C (0,72 TM);
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!
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 /
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]

Dobór materiałów konstrukcyjnych

Transkrypt

Podobne dokumenty

Formularz zgłoszeniowy na konferencję

14.03. godz. 8.00 16.03. godz. 8.00 30.03. godz

Dobór materiałów konstrukcyjnych

publiczne prawo nieruchomości dla geodetów

Ä1LH RPLMDMP\ IDQWDVW\F]Q\FK ]DE\WNyZ´