CARACTERIZAREA OTELULUI MARCA AMS UDIMET500, IN VEDEREA FABRICARII ROTOARELOR CU STABILITATE LA TEMPERATURI INALTE [304109]

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCUREȘTI

FACULTATEA: ȘTIINȚA ȘI INGINERIA MATERIALELOR

SPECIALIZAREA: ȘTIINȚA MATERIALELOR

LUCRARE DE LICENȚĂ

CARACTERIZAREA OTELULUI MARCA AMS UDIMET500, IN VEDEREA FABRICARII ROTOARELOR CU STABILITATE LA TEMPERATURI INALTE

ABSOLVENT: [anonimizat]-Andrei CRĂCIUN

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC:

Conf.Dr.Ing. Mihai BRÂNZEI

BUCUREȘTI

-2017-

CUPRINS

INTRODUCERE

In aceasta lucrare s-a [anonimizat]: rezistenta la coroziune si eroziune la cald si rezistenta la temperaturi inalte.

[anonimizat], sunt utilizate la turbinele industriale de gaz (in special pentru a transportul gazelor fierbinti care strabat componentele), [anonimizat].

[anonimizat], opereaza sub conditii mai stricte de temperatura si mai stresante decat oricare alte componente. Varful paletei poate ajunge sa se deplaseze cu pana la 390 m/s, iar temperatura gazului poate ajunge la 1200 oC. Aliajele respective trebuie sa aiba o [anonimizat], ductilitate, tenacitate, [anonimizat] a suporta incarcarile impuse.

Tabel 1 – [anonimizat] [1]

Fig. I.1 – Zonele termice intr-o turbina cu mai multe trepte [1]

Cap. I: SUPERALIAJE

I.1 [anonimizat], in conditiile unor tensiuni mecanice ridicate si a unei inalte stabilitati structurale.

Termenul de superaliaj a [anonimizat], pentru a [anonimizat] o performanta ridicata la temperaturi inalte.

[anonimizat], [anonimizat] W, V, Ta, Nb, Ti, Al, la care se pot completa mici cantitati de B, Zr si Hf care urmaresc rezistenta la fluaj si ductilitatea prin finisare a granulatiei.

[anonimizat]:

Sub 0.03% la superaliaje pe baza de Ni si Fe;

Putin mai mari la superaliaje pe baza de Co care se durifica prin formarea de carburi.

[anonimizat], [anonimizat], de peste 600 oC. Fe, Ni, Co, si Cr sunt metale de tranzitie cu pozitii consecutive in tabelul periodic al elementelor. [anonimizat], in functie de aplicatia/compozitia dorita.

[anonimizat], precum si prelucrarea (inclusiv tratamente termice) contribuie la producerea pieselor de calitate superioara.

Fierul, [anonimizat], au o [anonimizat]. Totusi, [anonimizat] a cobaltului nu este cfc. Ambele sufera transformari si devin cfc la temperaturi inalte sau in prezenta altor elemente aliate cu fier si cobalt. Nickelul, pe de alta parte este CFC la toate temperaturile.

[anonimizat]difica, nu este in compozitie de echilibru, iar astfel se topeste la o temperatura mai mica. Toate aliajele au un interval de topire, asa ca topirea nu este la temperatura precisa.

Superaliajele sunt durificate, nu doar de natura fundamentala a CFC si a chimiei acesteia, dar si prin prezenta unor faze de durificare speciale, deobicei precipitate. Prelucrabilitatea (deformari mecanice, uzual la rece) a unui superaliaj, poate de asemenea sa creasca rezistenta acestuia, dar acea rezistenta s-ar putea sa nu reziste la temperaturi inalte.

Fierul pur are o densitate de 7.87 g/cm3, iar nickelul si cobaltul au densitati de aproximativ 8.9 g/cm3. Superaliajele pe baza de fier-nickel au densitati intre 7.9 – 8.3 g/cm3; pe baza de cobalt aproximativ 8.3 – 9.4 g/cm3; iar cele pe baza de nickel aproximativ 7.8 – 8.9 g/cm3. Densitatea superaliajelor este influentata de elementele de aliere: aluminiu, titan, si cromul care reduce densitatea, dar wolframul, reniul si tantalul o maresc. Rezistenta la coroziune depinde in primul rand de elementele de aliere adaugate, in special a cromului si a aluminiului.

Temperaturile de topire ale elementelor pure sunt: Nickel (1453 oC), Cobalt(1495 oC), Fier(1537 oC). Temperaturile incipiente (cele mai scazute) si intervalele de topire ale superaliajelor sunt in functie de compozitie si prelucrarea prealabila. In general, temperaturile de topire sunt mai mari la superaliajele pe baza de cobalt fata de cele pe baza de nickel sau pe baza de fier-nickel. Cele pe baza de nickel ar incepe sa se topeasca in jurul temperaturii de 1204 oC.

I.2 Clasificare

I.2.1 Superaliaje pe baza de Fe

Aceste superaliaje au fierul drept constituent principal si contin cantitati importante de Cr si Ni si posibil aditii mai mici de Mo sau W. Aceste aliaje sunt durificate prin precipitare de carburi sau de faze intermetalice. Fazele intermetalice sunt in general de tip γ’-Ni3(Al,Ti). Diferenta dintre superaliajele pe baza de fier si otelurile inoxidabile este ca primele contin 25 – 35 %Ni pe cand otelurile inoxidabile contin 12-25 %Cr si max 20 %Ni.

In superaliajele pe baza de Fe se adauga diverse elemente de aliere, pentru indeplinirea anumitor functii, cum ar fi:

Durificarea se realizeaza prin adaugarea de Ni, Al, Ti si Nb. La aliajele din sistemul CFC, durificarea se face prin adaugarea de pana la 0.5 %C care formeaza carburi, al caror efect durificator este accentuat prin aditii de N si P. Carbonul mai are ca efect si durificarea limitelor de graunti. Durificarea solutiei solide se realizeaza prin aliere cu Mo si W;

Rezistenta la oxidare este imbunatatita prin alierea cu Cr, Ni si Mn;

Rezistenta la temperaturi mai mari de 540 oC se obtine numai in cazul aliajelor din sistemul CFC, deoarece reteaua cristalina compacta este cea mai rezistenta la fluaj;

Reducerea coeficientului de dilatare termica se realizeaza prin precipitare dispersa (aliere cu Al,Ti si Nb) si alierea complexa a solutiei solide (aliere cu Ni si Co);

Tabel 1.1 – Compozitii nominale a unor superaliaje pe baza de Fer [2]

Nota:* – Alte Elemente (AE)

I.2.2. Superaliaje pe baza de Co

Superaliajele pe baza de Co sunt aliaje care au cobaltul drept constituent principal si contin cantitati importante de Ni, Cr si W si posibil aditii mai mici de Mo, Nb, Ta, Ti, La sau ocazional Fe. Aceste aliaje sunt durificate prin alierea solutiei solide si prin precipitarea de carburi (caz in care contin 0.4 – 0.85 %C).

Superaliajele pe baza de Co se subinpart in 3 grupe, in functie de temperatura de utilizare:

Intre 650 – 1150 oC, cum ar fi: Hayness25, Hayness188;

Pana la 650 oC, destinate sistemelor de prindere, cum ar fi: MP-35N, MP-159;

Rezistenta la uzura, cum ar fi Stellite6B.

În stare recoaptă (nedurificată) toate superaliajele pe bază de Co au structură cfc. În timpul prelucrării termomecanice în unele mărci (MP-35N și MP-159) apar porțiuni de rețea HC.

Nici un superaliaj pe baza de Co nu are solubilitate totala, deoarece solutia solida coexista intotdeauna cu carburi sau alti compusi intemetalici.

Tabel 1.2 – Compozitie chimica nominala a unor superaliaje pe baza de cobalt [2]

Nota:* – Alte Elemente (AE)

I.2.3 Superaliajele pe baza de Ni

Aceste superaliaje au Ni in proportie maxima de (30 – 75 %), in compozitia chimica unde se mai gasesc cantitati semnificative de Cr (pana la 30 %), insotit de Fe (pana la max 35 %),Mo,W si Ta. Durificarea acestor superaliaje se face prin alierea solutiei solide sau prin precipitarea secundara de compusi intermetalici. Elementele care formeaza compusi intermetalici sunt Al, Ti si Nb. Pentru imbunatatirea rezistentei mecanice si la coroziune se adauga mici cantitati de Al, Ti, Nb, Mo si W.

Combinatia de Ni si Cr confera acestor aliaje o remarcabila rezistenta la oxidare, superioara otelurilor inoxidabile, in special la temperaturi mai mari de 650 oC.

Superaliajele durificate prin alierea solutiei solite sunt utilizate dupa recoacere:

Joasa, intre 870 – 980 oC, pentru obtinerea celor mai mari valori ale rezistentei la tractiune si la oboseala;

Inalta, intre 1120 – 1200 oC, pentru obtinerea unor valori optime ale rezistentei la oboseala si la fluaj, peste 600 oC.

Superaliajele durificate prin precipitare contin Al, Ti sau Nb.. Compusii intermetalici care precipita pot fi γ’ [Ni3(Al,Ti)] sau γ’’ (Ni3Nb). Calirea de precipitare consta din punerea in solutie intre 970 – 1175 oC urmata de una sau mai multe reveniri intre 600 – 815 oC.

Tabel 1.3 – Compozitia chimica nominala a unor superaliaje pe baza de Ni [2]

Nota:* – Alte Elemente (AE)

I.3 Proprietati si microstructura

Principalele variabile microstructurale ale superaliajelor sunt:

Cantitatea de precipitat si morfologia lor;

Forma si marimea grauntilor;

Distributia carburilor;

In general, superaliajele turnate au marimea grauntilor mai dezvoltata, mai mare, insemnand o mai mare putere de segregare a aliajelor si caracteristici aparte la rupere si fluaj. Superliajele forjate sunt deobicei mult mai uniforme, avand o structura fina si proprietati aparte la oboseala si intindere.

Superaliajele forjate pe baza de nickel sunt prelucrate astfel incat sa aiba proprietati adecvate la intindere si oboseala. Tratamentele termice aplicate acelorasi aliaje cu compozitie nominala sunt realizate pentru a imbunatati ruperea la fluaj.

Rezistenta la fisurare creste odata cu cresterea fractiei volumice „Vf” γ’, pe cand ductilitatea tinde sa se deplaseze in directia opusa. Rezistenta tinde sa creasca, pe masura ce marimea γ’ este redusa. De exemplu, aliajele de turnatorie, clasice au marimea γ’ mai mare pe cand aliajele forjate retin o cantitate semnificativa de particule γ’ mari dupa aplicarea tratamentului termic. Marea majoritate a particulelor γ’ pot fi inlocuite cu particule fine γ’, prin aplicarea unui tratament termic special.

I.4 Caracteristici

Cand temperatura trece de 540 oC, otelurile uzuale si aliajele de titan nu mai sunt suficient de rezistente pentru utilizare. Otelurile de asemenea, pot suferi un atac coroziv sporit;

Atunci cand temperaturile inalte trebuie atinse, iar rezistenta este considerentul, atunci superaliajele pe baza de nickel sunt alegerea potrivita;

Superaliajele pe baza de nickel pot fi folosite la o fractiune mai mare a punctelor lor de topire decat la orice material disponibil in comert. Metalele refractare au temperaturi de topire mai ridicate decat superaliajele, dar nu au aceleasi caracteristici precum ale superaliajelor si sunt mult mai putin utilizate;

Proprietatile de duritate ale superaliajelor sunt direct influentate nu numai de compozitia chimica a acestora, ci si de procedeele de topire, forjarea si procesele de prelucrare, tehnici de turnare, iar mai presus de toate, tratamentele termice aplicate dupa formare, forjare sau turnare.;

Superaliajele au o rezistenta la oxidare excelenta, dar nu o excelenta rezistenta la coroziune. In aplcatii unde temperatura ajunge de pana la 760 oC, acestea trebuiesc acoperite;

Tehnologia aplicarii este o parte esentiala in dezvoltarea superaliajelor si a aplicatiilor acestora. Lipsa acoperirii inseamna o utilizarea mai scazuta a superaliajelor pentru perioade lungi de timp la temperaturi ridicate;

I.5 Acoperiri uzuale ale superaliajelor

Superaliajele folosite in industriile grele, dezvoltare de componente supuse la incercari mecanice ridicate si temperaturi inalte, necesita acoperiri pentru a li se conferi protectia necesara, avand ca scop marirea duratei vietii a acestor componente.

Sunt folosite trei tipuri de acoperiri:

Acoperiri cu aluminide;

Acoperiri in straturi suprapuse;

Acoperiri cu bariere termice (TBC – thermal barrier coatings);

In ultimii ani, s-au aplicat straturi subtiri de metale nobile pentru a imbunatati rezistenta la oxidare a aluminidelor.

Acoperirile deobicei sunt aplicate printr-un procedeu de pulverizare cu plasma in vid. Este efectuat un tratament termic intre 1040 – 1120 oC pentru a omogeniza acoperirea si pentru a asigura o buna aderenta substratului.

TBC sunt ceramice, bazate pe ZrO2 – Y2O3 si pulverizare cu plasma.

Acoperirile ceramice, utilizeaza un substrat de protectie anticoroziva „MCrAlY” (M=Co,Ni sau Co/Ni) care confera rezistenta la oxidare precum si o rugozitate necesara stratului superior acoperit. Acest tip de acoperire este folosit la piese de tranzitie, recipiente cu combustie, palete de ghidare.

I.6 Domenii de utilizare

Utilizarea superaliajelor in domeniul temperaturilor inalte este extensiv, incluzand componente pentru aeronave, echipamente chimice pentru diverse fabrici, precum si echipamente pentru industria petrochimica.

Pentru fabricarea rotoarelor, cele mai populare sunt Inconel 718 (utilizat mai bine de 25 de ani la fabricarea rotoarelor din industria aeronautica), Incoloy 909, Incoloy 901.

Superaliajele sunt utilizate in primul rand la fabricarea tubinelor, atat in marina cat si in industria aerospatiala.

Fig. 1.2 – Motorul F119 pentru turbine cu gaz [2]

Cap. II: OTELUL MARCA AMS Udimet500 (U-500)

2.1. Definire Udimet500

Acest superaliaj pe baza de nickel, este utilizat in dezvoltarea paletelor turbinelor de gaz de mare putere, rezistente la temperaturi ridicate (Fig. ). Acesta, este utilizat la fabricarea acestor piese datorita proprietatilor sale de a rezista la coroziuni la temperaturi ridicate precum si o buna rezistenta si stabilitate la aceste temperaturi, unde temperatura depaseste 650 oC.

Tabel 2.1 – Compoz. chimica nominala a superaliajului pe baza de Nickel UDIMET500 [2]

a) b)

Fig. 2.1 – turbina de gaz de mare putere; a)turbina [3];b) microstructura paletelor turbinei [4]

Pentru prelucrari mecanice, pot fi folosite metode conventionale, utilizate pentru aliajele pe baza de fier. Acest aliaj se durifica sub forta (presare la cald) si are o duritate ridicata si plasticitate, care nu este tipica otelurilor.

Pentru slefuiri: acest aliaj ar trebui sa fie umed si sa fie folosite discuri abrazive cu oxizi de aluminiu sau curele, care sunt de preferat. Pentru macinari: pentru a obtine o buna acuratete si un luciu neted, sunt necesare masini rigide si instalatii si unelte asscutite pentru taieri.

Deformarea la rece poate fi realizata cu unelte standard, cele pe baza de carbon nu sunt indicate pentru prelucrari deoarece poate zgaria materialul. Sunt recomandate cele din aliaje de zinc, bronz etc., acestea minimizand posibilitatea de a fi zgariate si pentru o buna finisare, dar se consuma relativ rapid.

II.2 Microstructuri caracteristice ale unor superlaije pe baza de Ni

II.2.1 Udimet500

In Tabelul 2.2, sunt prezentate tratamentele termice aplicate unei probe Udimet500 in comparatie cu o lama simpla netrata, diferentele fiind observabila in Fig.2.2. [5]

Tabel 2.2 – Ciclul de tratament termic aplicat aiajului Udimet-500 [5]

Micrografia din Fig. 2.2 (de mai sus), arata microstructura generala a unei palete de turbina proiectata sa reziste la presiuni ridicate, dupa 1000h de operare.

Fig. 2.3- Faza gamma prim dupa un tratament termic la 1050 oC,a) timp de 5 minute,b)30minute[5]

Fig. 2.3 – Udimet500 dupa imbatranire la 900 oC timp de 700h, observandu-se faza gamma prim (puncte fine). [5]

Udimet500 are o microstructura multifazica, fiind formata din faza γ, doua faze γ’ precipitate, γ-γ’ eutectice, carbura si o cantitate mica de faze daunatoare: α si δ [6-14].

Faza Gamma prim (γ’) este un compus intermetalic de compozitie nominala Ni3Al, care are o stabilitate la o perioada scurta Fig. 2.3.

Fig. 2.4- Diagrama Ni-Al care arata domeniul de stabilitate al fazei γ’ [11]

II.2.2 Inconel718

In articolul [18] sunt prezentate, efectele tratamentului termic dublu de imbatranire. Compozitia chimica a aliajului utilizat, Inconel718, este prezentata in Tabelul 2.3. Tijele din aliaj, au diametrul de cca 30 mm, au fost tratate termic la 980 oC, timp de 1h, apoi laminate la rece pentru a forma placi cu grosimi de cca 16mm, apoi calite in apa imediat. Pentru a studia efectul diferitelor tehnici de imbatranire asupra structurii, s-au utilizat trei metode, prezentate in Tabelul 2.3.

Tabel 2.3 – Tratamente termice aplicate aliajului Inconel718 [16].

– imbatranire primara;

– imbatranire secundara;

DA – double aging: imbatranire dubla;

Tabel 2.4 – Compozitia chimica nominala a superaliajului Inconel718 utilizat in studiul [16].

In Fig.2.5(a), se observa ca majoritatea fazelor δ, au precipitat de-a lungul limitei de graunte, discontinuu. Faza δ cu forme aciculare discontinue, se pot extinde de la limita de graunte si itragranular, numai o cantitate limitata de faza δ precipitand astfel. In Fig.2.5(b), numai o cantitate scazuta de faze δ precipita intergranular, de-a lungul limitei de graunte. In Fig.2.5(c), se observa ca fazele γ’ si γ’’ formeaza dischete fine in aliaj, iar faza δ cu forma discontinua se distribuie de-a lungul limitei de graunte [16].

II.2.3 Udimet700

Davis s.a. [17], au efectuate experimente pentru a determina compozitia chimica, fractia volumica si dimensiunile particulelor ale fazei γ’ precipitate ale superaliajului Udimet700. Aceasta abordare poate fi aplicata si altor faze γ’ durificate.

Tabel 2.5 – Compozitia chimica nominala a superaliajului studiat Udimet700 [17]

Fig. 2.6 – Aliajul Udimet700, dupa un tratament termic de imbatranire timp de 4h la o temperatura de aproximativ 1090 oC, putere de marire 1190X.[17]

Fig. 2.7– Absenta racirii fine ℽ’ in Udimet700, calit de la 1090 oC [17]

Cap. III: PREGATIREA PROBELOR METALOGRAFICE, METODE DE TESTARE SI APARATURA UTILIZATA

III.1 Aspecte teoretice privind pregătirea probelor metalografice

Proba metalografică (eșantion, epruvetă, șlif) este o parte detașată din materialul metalic de studiat, pentru a fi pregătită în vederea analizei macro și microscopice;

Condiția necesară, pentru cercetare microscopică în lumină reflectată a materialelor metalice, este pregătirea unei suprafețe plane și foarte netede;

Pregătirea probelor metalografice se face parcurgând următoarele operații : luarea probelor, șlefuirea, lustruirea și atacul metalografic.

Atunci cand trebuie sa recoltăm probele, trebuie să ținem cont si de regiunea din care fac parte, deoarece proba trebuie sa fie reprezentativă pentru materialul cercetat, și sa corespundă scopului cercetărilor efectuate.

Tăierea probelor metalografice trebuie realizată in asa fel încât sa nu se produca modificari la nivelul structurii materialului de analizat, astfel sunt evitate in general metodele de debitare care implică deformarea sau încălzirea materialului.

După debitarea probelor, suprafața plană si cu rugozitate scazută se obține cu ajutorul celorlalte metode de pregătire: înglobarea probelor, șlefuirea si lustruirea acestora.

Forma curentă a probelor metalografice este paralelipipedică sau cilindrică, de dimensiuni 15 x 15 x 15 mm .Întotdeauna, înălțimea probei va fi mai mică decât celelalte două dimensiuni, pentru că altfel nu se menține planeitatea suprafeței la prelucrarea ulterioară.

Probele de dimensiuni mici sau la care interesează structura până la margine se pot fixa în forme speciale cu aliaje ușor fuzibile, (Wood, Lipowitz, Rose, Newton), rășini sintetice, duracrilat dentar, ceară, etc. sau mecanic prin nituire sau cu șuruburi.

Debitarea probelor

Aparatul pentru debitare Delta Abrasimet produs de către Buehler minimizează reducerea timpului de tăiere. Are în componență o fereastră mare de vizualizare și de tăiere luminat, cameră pentru monitorizarea operația de tăiere. Prezintă o creștere a durabilității prin eliminarea expunerii dure în mediul de tăiere.

Ghid de aplicare generală:

Tăietor general, pentru utilizare de laborator de rutina si volume.

Secțiuni metale feroase și neferoase, ceramică, din metale compozite cu matrice, de acoperire prin pulverizare termică, polimeri, cărbune, sticlă, metalo-ceramice si minerale de până la 3,5 "(64mm) diametru.

Menghină de specialitate pentru secționare de fixare.

Debitatrea se executa cu pânze de debitare difeite in funcțtie de tipul de material ce trebuie tăiat.

Discul de debitare pivotează și se rotește în probă, cu scopul de a o debita. Viteza dată este fixă, pentru instalații de debitat. Astfel, vom avea o gamă largă de discuri, dintre care vom alege un disc dur și un liant moale, emulsie organică cu apă, specifice unei categorii dure de material.

Inglobarea probelor

Înglobarea probelor se realizează pentru o manipulare mai ușoară a probelor în timpul analizelor.

Probele de referința s-au înglobat la cald, prin polimerizare la valori ale presiunii și temperaturii definite încă de la început.

Piesa debitată din materialul de referință este înglobată în bachelită, principala rășină de înglobat.

Înglobarea s-a realizat cu ajutorul mașinii de înglobat Simplement 1000 produsă de Buehler, complet automatizată și computerizată.

Slefuirea probelor

Procesul de șlefuire este ulterior celui de înglobare si presulune prelucrarea probeler pe hârtie metalografică în secțiune transverală, în vederea îndepartării petelor și zgârieturilor prezente pe suprafața probei.

Șlefuirea s-a realizat cu ajtorul mașinii speciale de slefuit Phoenix Beta produsă de Buehler. Aceată masină face șlefuirea prin trecerea probei pe suorafațele mai multor hârtii metalografice de granulații diferite. Granulațtiile hârtiilor metalografice incep de la 180 cea mai aspra pana la 1000 cea mai fina hârtie de șlefuit.

Lustruirea probelor

Procedeul de șlefuire este urmat de cel de lustruire. Lustruirea presumune preliucrarea probelor pe o pâslă îmbibată cu o emulsie ce cuprinde particule nanometrice care acționează pe supradața probei netezind-o, astfel îndepartându-se și cele mai fine zgârieturi.

Procesul de lustruire a fost executat cu aceeași mașină cu care a fost realizată si șlefuirea, Phoenix Beta, produsă de Buehler.

Aceată masină este prevăzută cu un disc rotativ magnetizat pe care se fixează un disc metalic ce are aplicată hartia de șlefuire sau pâsla de listruire.

III.2 Aspecte teoretice privind încercările termofizice (dilatometrie, difuzivitate)

Orice proprietate a unui material studiat într-un interval de temperatură poate fi considerată o proprietate termofizică. Cu toate acestea, în mod tradițional, dilatarea termică, conductivitatea termică și difizivitatea termică sunt considerate a fi cele mai frecvent întâlnite proprietăți termofizice fundamentale.

Dilatare termică

Această metodă are ca scop determinarea coeficientului de dilatare termică liniară pentru unele materiale cu valorile coeficienților de dilatare termică liniară mai mare de 1×10 – 6 1 °C, utilizând un dilatometru cu componentele din alumină sinterizată de înaltă puritate.

Analiza de determinare a coeficientului de dilatare termică este o metodă termica de urmărire a variebilității dimensionale a unei probe ca functie de temperatură și timp.

Determintarea coeficientului de dilatare termică s-a realizat cu ajutorul dilatometrului termic aflat in cadrul labortorului de incercari termofizice.

Valorile de temperatură între care sa realizează aceasta încercare cunt cuprinse în intervalul 20 – 1700 °C.Această metodă nu se folosește pentru materiale ce au coeficienți de dilatare termică mai mici de 1×10-61 °C; sub această valoare se recomandă interferometrul sau alte tehnici capacitive de măsurare.

Dilatarea termica este reprezentată de modificara dimensională a unui material, datorată schimbării de temperatură.

Raportul prin care este exprimată dilatarea termică este următorul:

ΔL/L0 (1)

unde:

ΔL, este modificarea în lungime (ΔL= L1-L0) ;

L0, lungimea probei la temperatura de referință T0 ;

L1, lungimea probei la temperatura de testare T1.

Coeficientul mediu de dilatare termică liniară(α,) este exprimat prin dilatarea termică liniară în raport cu temperatura:

α= 1/L0[(L1-L0)/(T1-T0)]= [1/L0(ΔL/ΔT)] (2)

sau:

α=(L2-L1)/[L0(T2-T1)= ΔL/L0ΔT (3)

unde:

L1, reprezintă lungimea probei la temperatura T1;

L2, reprezintă lungimea probei la temperaturile T2.

Coeficientul de dilatare termică liniar instantaneu (αT), reprezintă panta la curba dilatării termice liniare la temperatura T și este dat de relația [32]:

αT =(1/L0) dL/dT (4)

Dilatometrul utilizat este unul vertical, de temperatură înaltă, model Unitherm 1161V. (Fig.5.1). Acest aparat este asistat de un software prin intermediul caruia sa seteaza parametrii de lucru si respectiv achizitia si prelucrarea de date.

Fig. 3.4 – Dilatometrul termic

Acest tip de dilatometru este unul de temperatură înaltă complet computerizat, destinat să masoare variațiile dimensionale ale unei probe, determinate de modificările de temperatura din incinta acestuia. Cu ajutorul acestui tip de dilatometru se pot simula procese complexe, acest lucru fiind datorat ciclului extensiv de programe ce se pot efectua.

Componentele unui dilatometru:

Cuptorul: este construit cu izolație pe bază de alumină, cu masa termică scăzută, înconjurând elementele de încălzire din disiliciură de molibden sau carbură de siliciu. Raportul lungime diametru a fost ales asfel incat să existe o buna uniformitate termică în incintă. Elementele de incalzire, realizate din SiC, sunt dispuse în jurul mufei astel încat să se obtina o densitate de putere constantă

Traductorul digital de deplasare: este un dispozitiv absolut care nu necestă calibrare. acesta nu poate prezenta deviații pe termen scurt sau modificări in timp, iar precizia acestuia se bazează pe o rețea optică internă, realizată din sticlă stabilă, a cărei deplasare este monitorizată optic.

Fig. 3.5 – Componentele dilatometrului

Capul dilatometrului: are o mișcare de alunecare directă, verticală, pe tijele de ghidare, fapt ce ajuta la extragerea suportului de probe din incinta cuptorului. pentru o miscare corespunzătoare mecanismul de miscare al acestuia este contrabalansat cu ajutorul unor resorturi cu incărcare constantă. Componentele critice, cum ar fi capetele tubului și garniturile de etanșare, împreună cu baza capului dilatometrului, sunt răcite cu apă.

Tubul și tija împingătoare: sunt realizate din alumină și sunt interschimbabile cu un ansamblu realizat din cuarț. Corectia de sistem pentru tub este realizată automat din sistem cu ajutorul soft-ului. În cazul utilizării tubului de cuaț se limitează temperatura maximă a cuptorului.

Controlul și programarea temperaturii:

Sistemul oferă posibilitatea de a programa combinații de rampe, paliere, viteze de variație, întârzierea startului și posibilitatea de repetare a ciclului cu o capacitate a programului de 16 cicluri termice (64 segmente) și abilitatea de a stoca și rechema frecvent programele utilizate.

Programul de temperatura este afișat în totalitate și este editabil pe parcursul rulării.

Toți parametrii de testare vitali sunt afișați în mod continuu și pot fi actualizați.

Se folosesc rutine autoadaptabile optimizate pentru a obține informații precise privind temperatura probei, mai degrabă decât a cuptorului.

Este inclusă o logică internă pentru stabilirea echilibrului termic (în cazul în care este aplicabil), precum și pentru optimizarea ciclurilor.

Înregistrarea informațiilor:

Rezultatele determinate de către acest aparat sunt inregistrate si stocate automat pe disc, sub formă de pagină pentru printare, pentru umătoarele analize.

Paramatrii de testare, împreuna cu etaloanele si alte informații referitoare la analiza sunt deasemenea stocate pe discu de memorie, acest lucru fiind folositor in cazul unei eventuale comparații dintre rezultatele unor teste.

Difuzivitate termică

Pentru determinarea difuzivității termice a fost folosit aparatul Flash-Line 3000, produs de firma ANTER Corporation. Acest tip de aparat lucreaza la temperalturi cuprinse între temperatura camerei si 1000 °C și este coplet automatizat pe baza unui soft. Aparatul ne oferă posibilitatea de a determina valori ale difuzivității masurate la maxim 20 de temperaturi diferite fără intreruperea testului. Cartușul de probe poate fi încarcat cu doua sau trei probe in funcție de dimensiunile acestora.

Fig. 3.6 – Ansambulu echipamentelor ce formează Difuzivimetrul termic

Descrierea aparatului:

Componentele esențiale ale aparatului sunt: sursa flash, suportul pentru probe, incinta pentru mediul de lucru controlat (opțional), detectorul de temperatură și dispozitivul de înregistrare.

Sursa flash este o lampă cu descarcare in XENON, cu durata flash-ului de energie de maxim 2% din timpul necesar pentru ca temperatura suprafaței inferioare a probei să ajungă la jumătate din valoarea maximă (de ordinul milisecundelor).

Suportul pentru probe și caruselul se deschid orizontal. Închiderea etanșă dintre ușă și mufa cuptorului este asigurată de către un dispozitiv de etanșare. Modulul detectorului este plasat deasupra tabloului de comandă. Suportul pentru probe este alcătuit din două secțiuni

1) Transportorul este montat pe niște tije transparente ce pătrund în cavitatea cuptorului. O serie de plăci izolante sunt plasate pe tije pentru a reduce pierderile de energie și incazirile parazite de-a lungul structurii de suport. Montajul din tije se termină cu un carusel.

2) Cartușele (dispozitivele de sustinut/pozitionat probele in cuptor) Sunt disponibile pentru probe cu diametre diferite. Fiecare cartuș se potrivește pe transportor pentru a asigura o poziție adecvată probelor.

Modulul electronic este alcătuită din trei module (părți), panoul de comandă, modulul flash cu xenon și detectorul. Aceste trei părți sunt interconectate printr-o serie de cabluri ce intră în spatele unității

Cuptorul cu radiații infraroșii este alcătuit dintr-o cavitate cu oglinzi aurite răcită de apă, echipată cu două surse liniare foarte puternice. Cavitatea este echipată cu pereți reci motiv pentru care necesită răcirea permanentă cu apă. Un intrerupator-senzor de temperatură este montat pe corpul cuptorului pentru a monotoriza temperatura acestuia.

Sursa de pulsuri cu Xenon este un ansamblu cu proprietăți optice ce generează aproximativ 10-12 Jouli în total, la puterea maximă. Densitatea de energie care iese din sistem este comparabilă cu cea a unui laser.

Lampa flash este localizată într-o caviate protejată sub corpul cuptorului. Aceasta este închisă pentru a preveni expunerea accidentală a operatorului la tensiunea mare generată de flash și la lumina rezultantă generată în timpul flash-urilor. Puterea pulsului se poate varia prin ajustarea tensiunii între 400V și 800V (aproximativ). Deoarece puterea este neliniară față de tensiune există o variabilitate de 10:1, care este mai mult decât suficientă pentru nevoile măsurătorilor.

Fig. 3.7 – Componența unui difuzivimetru

Dimensiunile si geometria probelor:

Proba este un disc circular subțire cu suprafața superioră mai mare decât fascicolul de lumină. Probele au diametrul cuprins între 12,5 mm și 18 mm. Grosimea optimă depinde de valoarea estimată a difuzivității termice, și va fi aleasă astfel încât timpul necesar atingerii temperaturii maxime să fie cuprins între 40 ms și 200 ms. Probe mai subțiri sunt de dorit în cazul temperaturilor mai mari, pentru a minimiza pierderile de căldură; cu toate acestea probele trebuie să fie suficient de groase pentru a fi reprezentative pentru tipul de material. Uzual grosimea probelor trebuie să fie în intervalul 1-6 mm. Deoarece difuzivitatea termică este proporțională cu pătratul grosimii probei, este de dorit să se folosească grosimi diferite pentru temperaturi diferite.

Selectarea neadecvată a grosimii probei este o sursa majoră de erori în măsurători. Ca regula generală pentru experimente se poate porni de la o grosime de 2÷3 mm și apoi aceasta se poate schimba pe baza informațiilor obținute din termogramă (o proba prea subțire nu poate diminua semnalul sufucient astfel incat sa se poata sesiza o diferenta).

Probele trebuie pregătite cu fețe plan paralele. Suprafețele neuniforme sau de alt tip (cu fisuri, zgâriate) nu sunt bune deoarece datele experimentale vor fi afectate.

Pregatirea suplimentară a probelor

Metoda Flash se aplică pentru testarea materialelor omogene, solide și opace. Deoarece în practică materialele nu au aceste proprietăți, pentru a putea fi testate sunt necesare: o pregătire specială, măsuri de siguranță și corecții analitice.

Calibrarea aparatului și a instrumentelor de măsură folosite

Micrometrul folosit pentru măsurarea grosimii probei trebuie să fie precis astfel încât aceste măsurători să fie efectuate cu o eroare maxima de 0.2%.

Metoda Flash este o metoda primara și de aceea nu necesită calibrare, însa executarea măsurătorilor în sine devine subiectul erorilor sistematice și întâmplătoare. De aceea este necesară verificarea performanțelor aparatului pentru a se stabili dacă aceste erori afectează datele generate. Acest lucru se realizează prin testarea unuia sau a mai multor materiale a căror difuziviate termică este cunoscută.

Trebuie accentuat că folosirea materialelor de referință pentru a stabili validitatea datelor pentru materialele necunoscute poate conduce la date negarantate ca valoare. Folosirea materialelor de referință este validă când proprietățile lor (valorile pentru t1/2 și difuzivitate termică) sunt apropiate sau similare celor ale unor probe necunoscute și curbele temperatură/timp sunt determinate într-o manieră identică pentru materialele de referință cât și pentru cele necunoscute.

Cap. IV PARTE EXPERIMENTALA

IV.1 Dilatometria termica

Dilatometrul pe care s-au ridicat curbele dilatometrice este unul vertical, de temperatura inalta, model Unitherm 1161V, din cadrul Laboratorului de Incercari Termofizice. Aceste aparat este complet computerizat si este destinat sa masoare variatiile liniare ale uneia sau doua probe, determinate de modificarile termice. Conform ASTM E-228.

Pentru a putea respecta parametrii aparatului, proba a avut lungimea de 40.427mm.

Programarea softului dilatometrului s-a efectuat in pasii prezentati in tabelul urmator, Tabelul 4.1.1.

Tabel 4.1.1 – pasii desfasurarii incercarii de dilatometrie liniara.

Date experimentale: Proba din otel UDIMET500 au fost supuse la doua cicluri de incalzire/racire, cu o viteza de incalzire/racire controlata de 2 oC, cu un timp de intarziere de 30min intre cele doua cicluri. Dilatogramele pentru cele doua cicluri de incalzire/racire, cu aceeasi parametrii sunt prezentate in Fig. .

Detaliile dilatogramei, la incalzire respectiv racire prezinta punctele de inflexiune ale curbelor, care reprezinta inceputurile respectiv sfarsiturile de modificari structurale in stare solida care au loc in otel.

Fig. 4.1.1- Ciclul termic 1 incalzire/racire

Fig. 4.1.2 – Incalzire ciclul termic 1, determinarea punctelor de inflexiune

Fig. 4.1.3 – Ciclul termic de incalzire 1, determinarea punctelor de inflexiune

Fig. 4.1.4 – Ciclul termic de incazlire 2, determinarea punctelor de inflexiune

Fig. 4.1.5 – reprezentarea grafică a coeficientului de dilatare termică (%), a coeficientului instantaneu de diletare termică (CTE) și a mediei CTE.

Fig. 4.1.6 –

In Tabelul 4.2, sunt prezentate rezultatele calculelor temperaturilo punctelor de inflexiune, atat la incalzire, cat si la racire, de pe cele doua dilatograme.

Tabelul 4.1.2 – Expansiunea termica si temperaturile punctelor de inflexiune

Fig. 4.1.7 – Dilatograma otelului Udimet500 dupa cele doua cicluri incalzire-racire, in paralel cu rezultatele unui otel inox standard

Din figura de mai sus se observa ca dilatarea maxima fiind la temperatura de 1280 oC cu valoarea de 2.73%.

Ulterior, s-au mai efectuat trei cicluri de incalzire/racire asupra superaliajului studiat Udimet500, cu o viteza de incalzire/racire controlata de 2 oC si un timp de intarziere de 1h intre ciclurile respective. Dilatogramele pentru cele trei cicluri de incalzire/racire, cu aceeasi parametri, sunt prezentate in Fig.4.8.

Fig. 4.1.8 – Toate cele trei cicluri de incalzire- racire.

Fig. 4.1.9 – Ciclul 1 incalzire- racire.

Fig. 4.1.10 – Ciclul 1 de incalzire – racire, determinarea punctelor de inflexiune

Fig. 4.1.11 – Ciclul 2 de incazlire – racire, determinarea punctelor de inflexiune

Fig. 4.1.12 – Ciclul 2 de incalzire – racire, determinarea punctelor de inflexiune

Fig. 4.1.13 – Ciclul 2 de incalzire – racire, determinarea punctelor de inflexiune

Fig. 4.1.14 – Ciclul 3 de incalzire – racire

Fig. 4.1.15 – Ciclul 3 de incazlire – racire, determinarea punctelor de inflexiuneFig. 4.1.16 –

Fig. 4.1.17 – reprezentarea grafică a coeficientului de dilatare termică (%), a coeficientului instantaneu de diletare termică (CTE) și a mediei CTE

Fig. 4.1.18 – Rezultatele dilatometrice in paralel cu rezultatele unui otel inox standard.

Din Fig. 4.1.18, se observa ca dilatarea maxima este la temperatura de 1280oC cu un coeficient de expansiune de 2.76%.

Tabel 4.1.3 – Expansiunea termica si temperaturile punctelor de inflexiune

IV.2 Difuzivitate termica

Datele experimentale de difuzivitate

Datele experimentale referitoare la difuzivitatea termică a Udimet500 au fost obtinute cu ajutorul difuzivimetrului Flash-Line 3000 aflat in dotarea Laboratorului de încercări termofizice din Facultatea de Stiința si Ingineria Materialelor, pe probe tip bănuț realizate prin strungire, și introduse în incinta cuptorului așezate pe un suport special.

Fig. 4.2.1 – Suportul pentru probele de difuzivitate

După introducerea probelor în incinta cuptorului, urmează stabilirea unei atmosfere controlate cu gaz de argon, apoi programul urmează a fi rulat după un software dedicat ce controleaza aparatul.

Programarea soft-ului difuzivimetrului s-a efectuat în pașii prezentați în Tabelul 4.2.1.

Tabel 4.2.1 – Programarea soft-ului difuzivimetrului

Ferestrele care afiseaza datele analizate in timpul procesului

Datele experimentale obtinute pentru otelul marca Udimet500 sunt prezentate in Tabelul 4.2.2.

Tabel 4.2.2 – Rezultate experimentale pentru difuzivitatea otelului marca Udimet500

În conformitate cu rezultatele din Tabelul 4.2.2, aparatul a obținut urmatorul grafic corespunzator analizei difuzivimetrice realizată oțelului marca Udimet500. Graficul este prezentat in Fig. 4.2.2.

Din rezultatele obtinute, afisate in Fig. 4.2.2, s-a ales segmentul 5, unde rezultatele shoturilor sunt afisate in figurile de mai jos.

CONCLUZII:

Bibliografie:

[1] Special Metals Corporation, High-Performance Alloys For aircraft, land-based & marine gas turbines, http://216.71.103.52/documents/gas%20turbines.pdf;

[2] Matthew J. Donachie, Stephen J. Donachie, Superalloys: A Technical Guide, 2nd Edition, 2002, ISBN: 978-0-87170-749-9;

[3] J.Lozinski, "How and why does a Gas Turbine work!", https://www.linkedin.com/pulse/how-why-does-gas-turbine-work-john-lozinski, 18Feb2017;

[4] Robin M. Forbes Jones, Laurence A. Jackman, "The Structural Evolution of Superalloy Ingots during Hot Working", JOM, 51(1) 1999, pg. 27-31;

[5] Nageswara Rao Muktinutalapati (2011). Materials for Gas Turbines – An Overview, Advances in Gas Turbine Technology, Dr. Ernesto Benini (Ed.), ISBN: 978-953-307-611-9, InTech;

[6] S.A. Sajjadi , H.R. Elahifar , H. Farhangi, Effects of cooling rate on the microstructure and mechanical properties of the Ni-base superalloy UDIMET 500, Received 11 September 2006; received in revised form 18 January 2007; accepted 18 January 2007 Available online 21 January 2007;

[7] J.R. Davis, ASM Specialty Handbook Heat-Resistant Materials, ASM International, 2000, p. 223;

[8] N. Lambert, J.M. Drapier, Structural Stability of Udimet 500, General Electric Co., 1995, p. 312;

[9] C.R. Brooks, Heat treatment, in: Structure and Properties of Non- Ferrous Alloys, American Society for Metals, Metals Park, OH, 1982,p. 139;

[10] J.L. Smialek, G.M. Meier, in: C.T. Sims, N.S. Stoloff, W.C. Hagel (Eds.),Superalloys II, John Wiley & Sons, New York, 1987, p. 291;

[11] T.P. Gabb, R.L. Dreshfield, in: C.T. Sims, N.S. Stoloff,W.C. Hagel (Eds.), Superalloys II, John Wiley & Sons, New York, 1987, p. 575;

[12] W. Betteridge, J. Heslop, The Nimonic Alloys and Other Nickel-Base High Temperature Alloys, Edward Arnold, Bristol, UK, 1974, p. 45;

[13] D.P. Pope, S.S. Ezz, Int. Met. Rev. 29 (1984) 136;

[14] C. Sims, W. Hagel, The superalloys. Part II, General Electric Co., New York, 1972, p. 111;

[15] Providing high-strength, high-performance alloys and machining to the most demanding global environments since 1932; http://www.maher.com/media/pdfs/718-datasheet.pdf ;

[16] CHANGZHENG WANG, RONGBIN LI, Effect of double aging treatment on structure in Inconel 718 alloy, JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 39 (2004) 2593 – 2595;

[17] E. H. VAN DER MOLEN, J. M. OBLAK, AND O. H. KRIEGE, Control of 'Particle Size and Volume Fraction in the High Temperature Superalloy Udimet 700;

[18] Mihai Buzatu, Mariana Zsigmond, Materiale speciale si superaliaje,pg 129, 2003, Editura Printech, ISBN: 973-652-790-5;

[19] Noveed Ejaz, Muhammad Mansoor, Iftikhar Salam, Effect of high temperature exposure on the microstructure of Udimet-500 super alloy, Publicat online: 11 Mai 2010;

[20] Chester T. Sims General Electric Company Schenectady, New York 12345, A History of Superalloy Mettlaurgy for Superalloy Metalurgists;

[21] Z.G. Yang J.W. Stevenson D.M. Paxton P. Singh K.S. Weil, Materials Properties Database for Selection of High-Temperature Alloys and Concepts of Alloy Design for SOFC Applications, November 2002;

[22] .B. Henderson , D. Arrellb , M. Heobel, R. Larssonb and G. Marchantc, Nickel-Based Superalloy Welding Practices for Industrial Gas Turbine Applications, 2002;