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DSI研发团队测试项目取得成功!采用新型高温砧子使热加工单向压缩试验温度成功达到1900°C

作者:DSI上海办事处 浏览: 发表时间:2023-09-15 11:46:46

DSI研发团队测试项目取得成功!采用新型高温砧子使热加工单向压缩试验温度成功达到1900°C

一、概要:


        DSI团队测试了一种新的专有高温材料,将热加工工艺模拟单向压缩试验温度扩展到1400°C以上。虽然这份报告是基于初步数据,但DSI团队相信这种新的砧材将在许多高温应用中取得进步。本研究的重点是用于单向压缩测试的圆柱形砧子(图1)。预计这种砧子材料也可以应用于平面应变测试。

    

        该项目专注于测试这种新材料,以替代目前的单向压缩砧子砧帽(ISO-T砧子组件直接接触试样的组件)。新的砧帽性能非常好,在测试中没有出现明显的损坏。高温测试确实导致了砧座组件(沿用了常规的碳化钨砧座)的其他组件失效,包括砧座和密封套。通过将碳化钨(WC)砧座替换为纯钨(W),团队能够成功地在1900°C进行试验。


图1: 变形前的单轴压缩试验。


 二、背景:


       单向压缩试验(在Gleeble文档中通常简称为“流变应力”试验)是Gleeble平台上最受欢迎的试验之一。多年来,DSI推出了许多砧材和组件,旨在保证试样的温度梯度(如ISO-T砧),并提高高温下的砧材性能和耐久性(如纯钨砧和碳化钨砧)。


       Gleeble系统中最常用的顶砧组件是ISO-T流变应力顶砧组件。这个砧座组件包括砧座,薄石墨层和砧帽。这一堆材料被包裹在高温布绝缘材料中,然后封装在一系列钢夹中,这些钢夹一起构成了密封套。


       常规ISO-T流变应力顶锤总成中的顶锤底座和顶锤帽均由碳化钨制成。DSI还提供这类试验的纯钨版本的砧子以在更高的温度下试验。该项目包括测试砧帽的一种新的专有材料,以及使用碳化钨和纯钨砧底座进行测试。


       用常规ISO-T砧子,用于单向压缩砧子的材料测试温度限制在1400°C以下。即使在低于1400°C的温度下,砧子的性能也取决于砧子所承受的载荷和温度下的时间。一种新型顶砧帽材料已经过测试,可在1900°C的温度下评估其性能。这种新材料非常有前途,并极大推动了单向压缩试验的温度。


      Gleeble压缩试验要求顶砧材料具有几个关键特性。该材料需要在高温下坚硬和坚固(比被测试的试样材料更坚硬和坚固,以防止砧子变形)。此外,它需要具有足够的导电性,以允许测试试样的加热,同时仍然具有适当的电阻率,在砧内产生热量,这有助于在整个试样中提供更均匀的温度。在大多数试验中,用碳化钨组成的砧座和砧帽时,一旦试验温度超过~1200℃时,顶砧材料软化会导致试样在顶砧帽处形成压痕,最终导致顶砧失效。精确的试验温度极限取决于温度、加热速率、试样材料和载荷下的时间。


       改用纯钨(W)砧座和砧帽可以缓解这些问题,但仍然不建议在1400°C以上使用。


       因此,单向压缩和平面应变试验研究(使用相同的顶砧材料)通常限于1400°C以下的测试。更高的温度试验越来越受到工业的关注,因为它们能更准确地模拟锻压和轧制过程中的材料条件。1400°C的测试温度限制通常不会成为研究的障碍,因为钢和铝合金的工作温度通常低于这个限制。然而,由于新技术往往需要更高的性能材料,研究人员需要探索更高的温度应用,包括轧制和锻造。镍和钛合金等材料已经突破了目前能力的极限。随着对钨和钼和其他高温材料的研究不断深入,对高温试验能力的需求也越来越高。


三、实验设置:

       测试直径为10mm,长度为15 mm的圆柱形钼样品(DSI零件号:SMC203-E)。砧帽(直径19mm × 6.5 mm)是用新的顶料制造的。砧座是用常规的碳化钨基(19毫米直径× 19毫米)。在试验过程中,观察到硬质合金砧座在高温下发生了变形。因此,在后续测试中,将常规的砧座替换为纯钨底座(直径19mm × 25.5 mm)。同时用石墨箔作试样和砧帽之间的润滑剂(没有使用钽箔,因为钽箔与试样和砧帽粘合到了一起)。用C型热电偶测量试样的温度。使用L-Guage 测量应变。


试验条件如下:

Vacuum

        1.5 E-5 torr

Heating Rate

        3°C/sec

Strain Rate

        1/s

Final Strain

        0.25

从1300°C开始,进行了几轮测试。测试温度每100°递增至2000°C。

四、结果:  
   

       第一阶段试验使用了新的高温(HT)砧帽与碳化钨基。测试以100°C的间隔运行,从1300°C到1900°C。每次测试后,都要检查砧帽是否变色、开裂、麻点或明显的变形。结果是一切完好。


   


       遗憾的是,在第一阶段试验后,我们观察到了常规的碳化钨砧座发生了变形。因变形发生的温度阈值未知,因此使用了一套新的碳化钨基座,并在1600°C下重复了之前的测试。在1600℃的重复测试后,仍然可以观察到基座的变形,因此损伤阈值应该低于该温度。


      第二阶段试验包括使用新的高温砧帽和纯钨砧底座进行测试。测试从1600°C开始,以100°C的间隔提升到2000°C。在砧帽或砧座上均未发现明显的损伤或变形。




五、讨论:

      高温砧帽由DSI的供应商使用专有工艺制造。制造商提供了1700°C的规格作为该材料的使用数据。迄今为止,这些上限的表现超出了预期。在1900°C的温度下,它们保持了结构完整性,没有出现明显的磨损和损坏。然而,这些测试仍是在非常有限的保持时间和应变率下进行的,不应该超出给定的参数外推。砧帽在上述温度下的载荷极限、保温时间极限和热疲劳寿命均还没有得到充分的研究。


     砧座的性能值得注意。虽然在这些测试中未确定碳化钨基的下限,但钨基的上限至少支持2000°C的试样测试温度。  这部分是由于与WC-钴材料相比,钨在上述高温下的强度更大,但这也可以归因于两种砧基材料的电导率和导热率的差异。钨的电阻率(0.056µΩ*m)远低于碳化钨的电阻率(0.2µΩ*m)。因此,标准碳化钨底座的受热比钨底座高得多,而且由于导热系数较低,能保留更多的热量。这导致钨基的温度可能低于碳化钨基。


      不管砧帽和砧座的性能如何,必须考虑单向压缩试验装置的其他因素。在1700°C以上的温度下,砧子周围的高温绝缘布材料会变得脆化,并开始粘在底座和顶盖上。同时需要监测砧子周围的部件如夹紧螺丝、顶板,U型后座和密封套管等的热负荷。在2000°C下进行的测试导致砧子密封套熔化,所以2000C应是我们目前能力的上限。


     下表总结了新型砧帽的高温性能,包括常规和纯钨砧座和密封套。


六、结论:


       本报告评估了一种有可能扩大单向压缩实验操作温度的新型砧帽。它们在1900°C时表现良好。考虑到制造商建议的最高温度为1700°C,我们进行了进一步的测试,以更好地了解在更高的温度下砧帽的极限。尽管没有研究载荷和应变速率的变化的影响,但在本研究中使用的任何温度、保持时间或应变率下都没有观察到砧帽的破坏。要充分了解新型砧帽材料的时间、温度和应变率限制,还需要进一步研究。



七、商业可行性:


     DSI已经对这种新型砧帽材料进行了初步测试。虽然还需要更多的测试来全面表征砧帽的性能,但DSI能够向Gleeble用户提供有限的新型高温单向压缩砧帽作为beta使用产品。该材料仍是一个研发项目,性能无法完全保证。由于生产独特的高性能材料和小批量生产的挑战,与常规碳化钨砧帽相比,新型砧帽的成本相当高。然而潜在的因为性能的提高为新的测试能力打开了大门,而且从长远来看,耐久性的提高和使用量的提升希望能减少砧帽的损坏,并降低成本。


如果您正在为您的高温研究项目寻求这样的高温砧子,请联系DSI上海代表处。

DSI研发团队测试项目取得成功!采用新型高温砧子使热加工单向压缩试验温度成功达到1900°C
该项目专注于测试这种新材料,以替代目前的单向压缩砧子砧帽(ISO-T砧子组件直接接触试样的组件)。新的砧帽性能非常好,在测试中没有出现明显的损坏。高温测试确实导致了砧座组件(沿用了常规的碳化钨砧座)的其他组件失效,包括砧座和密封套。通过将碳化钨(WC)砧座替换为纯钨(W),团队能够成功地在1900°C进行试验。
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