Сплав, упрочненный оксидной дисперсией

Сплавы, упрочненные оксидной дисперсией ( ODS ), представляют собой сплавы , состоящие из металлической матрицы с мелкими оксидными частицами, диспергированными в ней. Они обладают высокой жаропрочностью, прочностью и пластичностью . Наиболее распространены сплавы никеля , но также включают железо- алюминиевые сплавы. ^[1]

Области применения включают высокотемпературные лопатки турбин и трубки теплообменников, [ ^2] в то время как стали используются в ядерных приложениях. ^[3] Материалы ODS используются на космических аппаратах для защиты транспортного средства, особенно во время возвращения в атмосферу . Сплавы благородных металлов ODS, например, сплавы на основе платины, используются в производстве стекла.

При входе в атмосферу на гиперзвуковых скоростях свойства газов резко меняются. Возникают ударные волны , способные нанести серьезный ущерб любой конструкции. При таких скоростях и температурах кислород становится агрессивным.

Механизм

Упрочнение дисперсией оксидов основано на некогерентности оксидных частиц в решетке материала. Когерентные частицы имеют непрерывную плоскость решетки от матрицы до частиц, тогда как некогерентные частицы не имеют этой непрерывности, и поэтому обе плоскости решетки заканчиваются на границе раздела. Это несоответствие в границах раздела приводит к высокой межфазной энергии, которая препятствует дислокации. ^[4] Вместо этого оксидные частицы стабильны в матрице, что помогает предотвратить ползучесть. Стабильность частиц подразумевает небольшое изменение размеров, охрупчивание, влияние на свойства, стабильное расстояние между частицами и общую устойчивость к изменениям при высоких температурах. ^[5]

Поскольку частицы оксида некогерентны, дислокации могут преодолевать частицы только путем переползания . Если вместо этого частицы полукогерентны или когерентны с решеткой, дислокации могут просто разрезать частицы более благоприятным процессом, требующим меньше энергии, называемым скольжением дислокации или изгибом Орована между частицами, оба из которых являются атермическими механизмами. Переползание дислокации — это диффузионный процесс, который менее энергетически выгоден и в основном происходит при более высоких температурах, которые обеспечивают достаточно энергии для продвижения путем добавления и удаления атомов. ^[6] Поскольку частицы некогерентны, одних только механизмов скольжения недостаточно, и доминирует более энергетически истощающий процесс переползания, что означает, что дислокации останавливаются более эффективно. Переползание может происходить либо на границе раздела частица-дислокация (локальное переползание), либо путем преодоления нескольких частиц одновременно (общее переползание). При локальном переползании часть дислокации, которая находится между двумя частицами, остается в плоскости скольжения, в то время как остальная часть дислокации переползает по поверхности частицы. При общем переползании все дислокации выходят из плоскости скольжения. Общий переползание требует меньше энергии, поскольку механизм уменьшает длину линии дислокации, что снижает энергию упругой деформации и, следовательно, является общим механизмом переползания. ^[7] Для объемных долей γ' от 0,4 до 0,6 в сплавах на основе никеля пороговое напряжение для локального переползания всего лишь примерно в 1,25–1,40 раза выше, чем для общего переползания. ^[8]

Дислокации не ограничиваются ни локальным, ни общим подъемом, поскольку выбирается путь, требующий меньше энергии. Кооперативный подъем является примером более тонкого механизма, когда дислокация движется вокруг группы частиц, а не поднимается мимо каждой частицы по отдельности. Маклин заявил, что дислокация наиболее расслаблена при подъеме по нескольким частицам из-за пропуска некоторых резких интерфейсов между сегментами в плоскости скольжения к сегментам, которые движутся вдоль поверхности частицы. ^[9]

Присутствие некогерентных частиц вводит пороговое напряжение (σt ₎ , поскольку для перемещения дислокаций мимо оксидов путем переползания необходимо будет приложить дополнительное напряжение. После преодоления частицы путем переползания дислокации могут оставаться закрепленными на границе раздела частица-матрица с помощью притягивающего явления, называемого интерфейсным закреплением, ^{[10] [11]} , которое требует дополнительного порогового напряжения для освобождения дислокации от этого закрепления, которое необходимо преодолеть для возникновения пластической деформации. ^[12] Это явление отрыва является результатом взаимодействия между частицей и дислокацией, при котором общая энергия упругой деформации уменьшается. ^[13] Шредер и Арцт объясняют, что необходимое дополнительное напряжение обусловлено релаксацией, вызванной уменьшением поля напряжений, когда дислокация переползает и принимает на себя сдвиговое натяжение. ^[14] Следующие уравнения представляют скорость деформации и напряжение в результате внедрения оксида.

Скорость деформации:

${\displaystyle {\overset {.}{\epsilon }}=A'({\frac {\sigma -\sigma _{t}}{\mu }})^{n}}$

Пороговое напряжение сдвига:

${\displaystyle \tau _{th}={\frac {\alpha }{2}}{\frac {Gb}{l}}}$

Синтез

Шаровая мельница

Свойства ползучести сталей ODS зависят от характеристик оксидных частиц в металлической матрице, в частности, от их способности предотвращать движение дислокаций, а также от размера и распределения частиц. Хельцер и его коллеги показали, что сплав, содержащий однородную дисперсию нанокластеров Y ₂ Ti ₂ O ₇ размером 1-5 нм, имеет превосходящие свойства ползучести по сравнению со сплавом с неоднородной дисперсией нанокластеров размером 5-20 нм того же состава. ^[15]

Упрощенная схема традиционного процесса ODS стали (а) и модифицированный процесс, способствующий образованию нанооксидов

Стали ODS обычно производятся путем шаровой мельницы интересующего оксида (например, Y ₂ O ₃ , Al ₂ O ₃ ) с предварительно легированными металлическими порошками с последующим сжатием и спеканием. Считается, что оксиды вступают в твердый раствор с металлом во время шаровой мельницы и затем осаждаются во время термической обработки. Этот процесс кажется простым, но для получения успешного сплава необходимо тщательно контролировать многие параметры. Лесеньер и его коллеги тщательно контролировали некоторые из этих параметров и достигли более единообразных и лучших микроструктур. ^[16] В этом двухэтапном методе оксид измельчается в шаровой мельнице в течение более длительного времени, чтобы обеспечить гомогенный твердый раствор оксида. Порошок отжигается при более высоких температурах, чтобы начать контролируемое зарождение оксидных кластеров. Наконец, порошок снова сжимается и спекается, чтобы получить конечный материал.

Аддитивное производство

NASA использовало ResonantAcoustic смешивание и аддитивное производство для синтеза сплава, который они назвали GRX-810, который выдержал температуры свыше 1090 °C (1990 °F). Сплав также показал улучшенную прочность, пластичность и долговечность. Принтер равномерно распределил частицы оксида по всей металлической матрице. Сплав был идентифицирован с помощью 30 симуляций термодинамического моделирования. ^{[17] [18] [19]}

Преимущества и недостатки[ необходима ссылка ]

Преимущества:

• Поддается механической обработке, пайке, формовке, резке с использованием доступных процессов.
• Образует защитный оксидный слой, который способен самовосстанавливаться.
• Этот оксидный слой стабилен и имеет высокий коэффициент эмиссии.
• Позволяет проектировать тонкостенные конструкции (сэндвич).
• Устойчив к суровым погодным условиям тропосферы .
• Низкие затраты на техническое обслуживание.
• Низкая стоимость материала.

Недостатки:

• Он имеет более высокий коэффициент расширения, чем другие материалы, что приводит к более высоким термическим напряжениям.
• Более высокая плотность.
• Понизьте максимально допустимую температуру.

Смотрите также

• Суперсплав

Ссылки

1. Оптимизация реакции на высокотемпературную окружную ползучесть в трубках ODS-Fe3Al
2. TLP Диффузионная сварка ODS-никелевого сплава
3. Klueh, RL; Shingledecker, JP; Swindeman, RW; Hoelzer, DT (2005). «Стали, упрочненные оксидной дисперсией: сравнение некоторых коммерческих и экспериментальных сплавов». Journal of Nuclear Materials . 341 (2–3): 103. Bibcode :2005JNuM..341..103K. doi :10.1016/j.jnucmat.2005.01.017.
4. Ван, Нань; Цзи, Яньчжоу; Ван, Юнбяо; Лун-Цин, Чэнь (18 июня 2017 г.). «Два режима закрепления границ зерен когерентными выделениями». Acta Materialia . 135 : 226–232. Bibcode : 2017AcMat.135..226W. doi : 10.1016/j.actamat.2017.06.031. OSTI  1374188. Получено 22 февраля 2022 г.
5. Кадек, Йозеф (1988). Ползучесть металлических материалов (1-е изд.). Амстердам: Elsevier Science. стр. 176. ISBN 0444989161.
6. Халл, Д.; Бэкон, DJ (2011). Введение в дислокации (PDF) (5-е изд.). Elsevier Ltd. стр. 53. ISBN 9780080966724. Получено 22 февраля 2022 г. .
7. Касснер, Майкл Э. (2015). Основы ползучести металлов и сплавов (3-е изд.). Elsevier Ltd. стр. 176. ISBN 978-0-08-099427-7.
8. Кадек, Йозеф (1988). Ползучесть металлических материалов (1-е изд.). Амстердам: Elsevier Science. стр. 176. ISBN 0444989161.
9. Маклин, М. (апрель 1985 г.). «О пороговом напряжении для ползучести дислокаций в сплавах, упрочненных частицами». Acta Metallurgica . 33 (4): 545–556. doi :10.1016/0001-6160(85)90018-5.
10. Арцт, Э.; Уилкинсон, Д.С. (1986). «Пороговые напряжения для переползания дислокации по твердым частицам: эффект притягивающего взаимодействия» (PDF) . Acta Metallurgica . 34 (10): 1893–1898. doi :10.1016/0001-6160(86)90247-6.
11. Реппих, Б. (1998-12-19). «О притягивающем взаимодействии частиц и дислокаций в дисперсионно-упрочненном материале». Acta Materialia . 46 (1): 61–67. Bibcode : 1998AcMat..46...61R. doi : 10.1016/S1359-6454(97)00234-6.
12. Чаухан, Анкур; Литвинов, Димитрий; де Карлан, Янн; Актаа, Джарир (2016-03-21). «Исследование механизмов деформации и повреждения стали 9Cr-ODS: эволюция микроструктуры и характеристики разрушения». Материаловедение и инженерия: A . 658 : 123–134. doi :10.1016/j.msea.2016.01.109.
13. Касснер, Майкл Э. (2015). Основы ползучести металлов и сплавов (3-е изд.). Elsevier Ltd. стр. 176. ISBN 978-0-08-099427-7.
14. Шредер, Дж. Х.; Арцт, Э. (1985). «Исследования слабых пучков взаимодействия дислокаций и дисперсии в суперсплаве ODS» (PDF) . Scripta Metallurgica . 19 (9): 1129–1134. doi :10.1016/0036-9748(85)90022-5.
15. Hoelzer DT, Bentley J, Sokolov MA, Miller MK, Odette GR, Alinger MJ. J Nucl Mater 2007;367:166.
16. Лоран-Брок, М. и др. «Влияние условий шаровой мельницы и отжига на характеристики нанокластеров в сталях, упрочненных оксидной дисперсией». Acta Materialia 60.20 (2012): 7150-7159.
17. Сэндс, Келли (2022-04-11). "Новый материал НАСА, созданный для выдерживания экстремальных условий". НАСА . Получено 2022-04-21 .
18. Брахамбхатт, Рупендра (2022-04-19). «Новый сплав NASA в 1000 раз прочнее того, что сейчас используется в космических кораблях». ZME Science . Получено 2022-04-21 .
19. Смит, TM; Томпсон, AC; Габб, TP; Боуман, CL; Кантзос, CA (2020-06-15). «Эффективное производство высокоэффективного дисперсионно-упрочненного многоэлементного сплава». Scientific Reports . 10 (1). Nature Publishing Group: 1–9. doi : 10.1038/s41598-020-66436-5 . PMC 7296023 . Получено 2024-11-11 .