Slitina posílená oxidovou disperzí - Oxide dispersion-strengthened alloy - Wikipedia

Slitiny zesílené oxidační disperzí (ODS) se skládají z kovové matrice s rozptýlenými malými oxidovými částicemi. Používají se pro vysoké teplota turbína čepele a výměník tepla hadice.[1] Slitiny z nikl jsou nejčastější, ale pracuje se na nich žehlička hliník slitiny.[2] Oceli ODS se používají v jaderných aplikacích.[3]

Materiály ODS se používají na vesmírných plavidlech jako vrstva určená k ochraně vozidla, zejména při opětovném vstupu do atmosféry. Při výrobě skla se také používají materiály ODS ze slitin ušlechtilých kovů, například slitiny na bázi platiny.

Pokud jde o opětovný vstup na nadzvukový rychlosti, vlastnosti plynů se dramaticky mění. Rázové vlny které mohou způsobit vážné poškození jakékoli konstrukce. I při těchto rychlostech a teplotách je kyslík velmi agresivní.

Mechanismus

Zesílení disperze oxidu je založeno na nesoudržnosti oxidových částic v mřížce materiálu. Oxidové částice snižují pohyb dislokací uvnitř materiálu a zase zabraňují tečení. Protože částice oxidu jsou nesoudržné, dislokace mohou částice překonat pouze o šplhat. Zatímco v případě, že částice byly polokoherentní nebo koherentní s mřížkou, dislokace mohou jednoduše stříhat částice. Stoupání je energeticky méně příznivé (dochází při vysokých teplotách) než prosté stříhání, a proto účinněji zastaví dislokační pohyb. Stoupání může nastat buď na rozhraní dislokace částic (místní stoupání), nebo překonáním více částic najednou (obecné stoupání). Obecné stoupání vyžaduje méně energie, a proto je běžným mechanismem stoupání. Přítomnost nekoherentních částic zavádí mezní napětí (σt), protože pro dislokace bude nutné použít další napětí, aby se pohyboval kolem oxidů stoupáním. Navíc dislokace i po překonání částice stoupáním může stále zůstat připnutá na rozhraní částice-matice s atraktivním jevem zvaným mezipovrchové připnutí[4][5] což dále vyžaduje další prahové napětí k oddělení dislokace od tohoto připnutí, které je nutné překonat, aby došlo k plastické deformaci.[6] Následující rovnice představují rychlost deformace a napětí v důsledku zavedení oxidů do materiálu.

Rychlost kmene:

Mezní smykové napětí:

Syntéza

Vlastnosti tečení ODS ocelí jsou vysoce závislé na vlastnostech nanooxidových částic, které existují v kovové matrici, konkrétně na schopnosti těchto částic zabránit dislokačnímu pohybu, jakož i na velikosti a distribuci částic. Hoelzer a spolupracovníci prokázali, že slitina obsahující homogenní disperzi 1-5 nm Y2Ti2Ó7 nanoklastry mají vynikající creepové vlastnosti jako slitina s heterogenní disperzí nanoklasterů 5-20 nm stejného složení.[7] Při hledání nových ocelí ODS je důležité zaměřit se na procesy, které umožňují tvorbu husté homogenní disperze malých nanoklasterů.

Zjednodušené schéma konvenčního procesu oceli ODS (a) a modifikovaného procesu podporujícího tvorbu nanooxidů

Oceli ODS se běžně vyrábějí kuličkovým mletím požadovaného oxidu (např. Y.2Ó3Al2Ó3) s předlegovanými kovovými prášky následovanými lisováním a slinováním materiálu. Předpokládá se, že nano-oxidy vstupují do pevného roztoku s kovem během kulového mletí a následně se vysráží během tepelného zpracování, čímž se získá ocel ODS. Tento proces se zdá být jednoduchý, ale k výrobě dobře vyrobené slitiny je třeba pečlivě kontrolovat mnoho parametrů. Byla provedena práce Leseigneura a spolupracovníků na pečlivé kontrole některých z těchto parametrů, aby se v ocelích ODS získaly konzistentnější a lepší mikrostruktury.[8] V této dvoustupňové metodě se oxid mletí kuličkou po delší dobu, aby se zajistil homogenní pevný roztok oxidu v kovové matrici. Poté se prášek žíhá při vyšších teplotách, aby se zahájila řízená nukleace nanooxidových klastrů. Nakonec se prášek znovu komprimuje a slinuje, čímž se získá konečný materiál.

Výhody a nevýhody[Citace je zapotřebí ]

Výhody:

  • Lze je opracovávat, pájet natvrdo, tvarovat, řezat dostupnými procesy.
  • Vyvíjí ochrannou vrstvu oxidu, která se samoléčí.
  • Tato oxidová vrstva je stabilní a má vysoký emisní koeficient.
  • Umožňuje návrh tenkostěnných konstrukcí (sendvič).
  • Odolný vůči drsným povětrnostním podmínkám v troposféra.
  • Nízké náklady na údržbu.
  • Nízké náklady na materiál.

Nevýhody:

  • Má vyšší koeficient roztažnosti než jiné materiály, což způsobuje vyšší tepelné namáhání.
  • Vyšší hustota.
  • Snižte maximální povolenou teplotu.

Viz také

Reference

  1. ^ TLP difúzní lepení slitiny niklu ODS
  2. ^ Optimalizace vysokoteplotní odezvy Hoop Creep v ODS-Fe3Al trubky
  3. ^ Klueh, R.L .; Shingledecker, J. P .; Swindeman, R. W .; Hoelzer, D. T. (2005). „Oxidy zpevněné disperzí oxidem: Porovnání některých komerčních a experimentálních slitin“. Journal of Nuclear Materials. 341 (2–3): 103. doi:10.1016 / j.jnucmat.2005.01.017.
  4. ^ Arzt, E .; Wilkinson, D.S. (1986). „Prahová napětí pro dislokaci stoupají přes tvrdé částice: účinek atraktivní interakce“ (PDF). Acta Metallurgica. 34 (10): 1893–1898. doi:10.1016/0001-6160(86)90247-6.
  5. ^ Reppich, B. (1998-12-19). „O atraktivní interakci částic a dislokace v materiálu zesíleném disperzí“. Acta Materialia. 46 (1): 61–67. doi:10.1016 / S1359-6454 (97) 00234-6.
  6. ^ Chauhan, Ankur; Litvinov, Dimitri; de Carlan, Yann; Aktaa, Jarir (2016-03-21). „Studie mechanismů deformace a poškození oceli 9Cr-ODS: Vývoj mikrostruktury a lomové charakteristiky“. Věda o materiálech a inženýrství: A. 658: 123–134. doi:10.1016 / j.msea.2016.01.109.
  7. ^ Hoelzer DT, Bentley J, Sokolov MA, Miller MK, Odette GR, Alinger MJ. J Nucl Mater 2007; 367: 166.
  8. ^ Laurent-Brocq, M. a kol. „Vliv podmínek kuličkového mletí a žíhání na vlastnosti nanoklastru v ocelích vyztužených disperzí oxidů.“ Acta Materialia 60.20 (2012): 7150-7159.