Stop wzmocniony dyspersją tlenków

Stopy wzmocnione dyspersją tlenków ( ODS ) to stopy składające się z metalowej osnowy z rozproszonymi w niej małymi cząstkami tlenku. Mają wysoką odporność na ciepło, wytrzymałość i plastyczność . Stopy niklu są najpowszechniejsze, ale obejmują stopy żelaza i aluminium .

Zastosowania obejmują łopatki turbin wysokotemperaturowych i rury wymienników ciepła , podczas gdy stale są wykorzystywane w zastosowaniach jądrowych. Materiały ODS są używane w statkach kosmicznych do ochrony pojazdu, zwłaszcza podczas ponownego wejścia w atmosferę . Stopy ODS metali szlachetnych, na przykład stopy na bazie platyny, są stosowane w produkcji szkła.

Jeśli chodzi o ponowne wejście w atmosferę z prędkością hipersoniczną , właściwości gazów zmieniają się dramatycznie. Powstają fale uderzeniowe , które mogą spowodować poważne uszkodzenia dowolnej konstrukcji. Przy tych prędkościach i temperaturach tlen staje się agresywny.

Mechanizm

Wzmocnienie dyspersyjne tlenków opiera się na niespójności cząstek tlenku w sieci krystalicznej materiału. Cząstki spójne mają ciągłą płaszczyznę sieci od matrycy do cząstek, podczas gdy cząstki niespójne nie mają tej ciągłości i dlatego obie płaszczyzny sieci kończą się na granicy faz. To niedopasowanie interfejsów skutkuje wysoką energią międzyfazową, która utrudnia dyslokację. Zamiast tego cząsteczki tlenku są stabilne w matrycy, co pomaga zapobiegać pełzaniu. Stabilność cząstek oznacza niewielką zmianę wymiarów, kruchość, wpływ na właściwości, stabilne rozmieszczenie cząstek i ogólną odporność na zmiany w wysokich temperaturach.

Ponieważ cząsteczki tlenku są niespójne, dyslokacje mogą pokonać cząstki tylko przez wznoszenie się . Jeśli zamiast tego cząstki są półspójne lub spójne z siecią, dyslokacje mogą po prostu przecinać cząstki w bardziej korzystnym procesie, który wymaga mniej energii, zwanym poślizgiem dyslokacji lub wyginaniem się Orowana między cząstkami, z których oba są mechanizmami atermicznymi. Wznoszenie się dyslokacji jest procesem dyfuzyjnym, który jest mniej korzystny energetycznie i występuje głównie w wyższych temperaturach, które zapewniają wystarczającą ilość energii do postępu poprzez dodawanie i usuwanie atomów. Ponieważ cząstki są niespójne, same mechanizmy ślizgowe nie wystarczą, a dominuje bardziej wyczerpujący energetycznie proces wznoszenia, co oznacza, że ​​dyslokacje są skuteczniej zatrzymywane. Wspinaczka może nastąpić albo na granicy faz cząstka-dyslokacja (wspinaczka lokalna) albo przez pokonanie wielu cząstek jednocześnie (wspinaczka ogólna). Podczas wznoszenia lokalnego część dyslokacji znajdująca się między dwiema cząstkami pozostaje w płaszczyźnie schodzenia, podczas gdy reszta dyslokacji wspina się po powierzchni cząstki. W przypadku wznoszenia ogólnego wszystkie dyslokacje wychodzą z płaszczyzny schodzenia. Ogólna wspinaczka wymaga mniej energii, ponieważ mechanizm zmniejsza długość linii dyslokacji, co zmniejsza energię odkształcenia sprężystego i dlatego jest powszechnym mechanizmem wznoszenia. Dla ułamków objętościowych γ' od 0,4 do 0,6 w stopach na bazie niklu naprężenie progowe dla wznoszenia lokalnego jest tylko około 1,25 do 1,40 razy wyższe niż wznoszenia ogólnego.

Dyslokacje nie są ograniczone ani do wszystkich lokalnych, ani do wszystkich ogólnych wzniesień, ponieważ wybierana jest ścieżka, która wymaga mniej energii. Wspinaczka kooperacyjna jest przykładem bardziej złożonego mechanizmu, w którym dyslokacja przemieszcza się wokół grupy cząstek, zamiast wspinać się po każdej cząstce z osobna. McLean stwierdził, że dyslokacja jest najbardziej rozluźniona podczas wspinania się po wielu cząstkach z powodu pomijania niektórych nagłych interfejsów między segmentami w płaszczyźnie schodzenia z segmentami poruszającymi się wzdłuż powierzchni cząstki.

Obecność niespójnych cząstek wprowadza naprężenie progowe (σ _t ), ponieważ konieczne będzie zastosowanie dodatkowego naprężenia, aby dyslokacje mogły przejść obok tlenków podczas wznoszenia. Po pokonaniu cząstki przez wznoszenie dyslokacje mogą pozostać przypięte na granicy faz cząstka-matryca z atrakcyjnym zjawiskiem zwanym przypięciem międzyfazowym, które wymaga dodatkowego naprężenia progowego, aby uwolnić dyslokację z tego przypięcia, które należy przezwyciężyć, aby nastąpiło odkształcenie plastyczne. To zjawisko odrywania jest wynikiem interakcji między cząstką a dyslokacją, w której całkowita energia odkształcenia sprężystego jest zmniejszona. Schroder i Arzt wyjaśniają, że wymagane dodatkowe naprężenie wynika z relaksacji spowodowanej redukcją pola naprężeń, gdy zwichnięcie wspina się i dostosowuje się do rozciągania ścinającego. Poniższe równania przedstawiają szybkość odkształcania i naprężenia w wyniku wprowadzenia tlenku.

Szybkość odkształcenia:

${\ Displaystyle {\ overset {.} {\ epsilon}} = A '({\ Frac {\ sigma - \ sigma _ {t}}} {\ mu}}) ^ {N}}$

Progowe naprężenie ścinające:

${\ Displaystyle \ tau _ {th} = {\ Frac {\ alfa} {2}} {\ Frac {GB} {l}}}$

Synteza

Frezowanie kulowe

Właściwości pełzania stali ODS zależą od właściwości cząstek tlenku w osnowie metalicznej, w szczególności od ich zdolności do zapobiegania ruchom dyslokacyjnym, jak również od wielkości i rozmieszczenia cząstek. Hoelzer i współpracownicy wykazali, że stop zawierający jednorodną dyspersję nanoklastrów Y ₂ Ti ₂ O _{7 1-5 nm} ma lepsze właściwości pełzania niż stop z heterogeniczną dyspersją nanoklastrów 5-20 nm o tym samym składzie.

Uproszczony schemat konwencjonalnego procesu stali ODS (a) i zmodyfikowanego procesu promującego tworzenie nanotlenków

Stale ODS są powszechnie produkowane przez mielenie kulowe interesującego tlenku (np. Y ₂ O ₃ , Al ₂ O ₃ ) z wstępnie stopowymi proszkami metali, a następnie prasowaniem i spiekaniem. Uważa się, że tlenki wchodzą w stały roztwór z metalem podczas mielenia kulowego, a następnie wytrącają się podczas obróbki termicznej. Ten proces wydaje się prosty, ale aby wyprodukować udany stop, należy dokładnie kontrolować wiele parametrów. Leseigneur i współpracownicy starannie kontrolowali niektóre z tych parametrów i uzyskali bardziej spójne i lepsze mikrostruktury. W tej dwuetapowej metodzie tlenek jest mielony w młynie kulowym przez dłuższy czas, aby zapewnić jednorodny stały roztwór tlenku. Proszek jest wyżarzany w wyższych temperaturach, aby rozpocząć kontrolowane zarodkowanie skupisk tlenków. Na koniec proszek jest ponownie prasowany i spiekany w celu uzyskania końcowego materiału.

Produkcja dodatkowa

NASA wykorzystała wytwarzanie przyrostowe do syntezy stopu, który nazwali GRX-810, który przetrwał temperatury powyżej 1090 ° C (1990 ° F). Stop charakteryzował się również lepszą wytrzymałością, plastycznością i trwałością. Drukarka równomiernie rozproszyła cząsteczki tlenku w metalowej matrycy. Stop zidentyfikowano za pomocą 30 symulacji modelowania termodynamicznego.

Zalety i wady

Zalety:

• Może być obrabiany, lutowany, formowany, cięty za pomocą dostępnych procesów.
• Tworzy ochronną warstwę tlenku, która jest samonaprawiająca się.
• Ta warstwa tlenku jest stabilna i ma wysoki współczynnik emisji.
• Umożliwia projektowanie konstrukcji cienkościennych (sandwich).
• Odporny na trudne warunki pogodowe panujące w troposferze .
• Niski koszt utrzymania.
• Niski koszt materiału.

Niedogodności:

• Ma wyższy współczynnik rozszerzalności niż inne materiały, powodując większe naprężenia termiczne.
• Większa gęstość.
• Niższa maksymalna dopuszczalna temperatura.

Zobacz też

• nadstop