Оксидно-дисперсионно-упрочненный сплав

Сплавы, упрочненные оксидной дисперсией ( ОДС ), представляют собой сплавы , состоящие из металлической матрицы с диспергированными внутри нее мелкими частицами оксида. Они обладают высокой термостойкостью, прочностью и пластичностью . Сплавы никеля сплавы являются наиболее распространенными, но включают железа и алюминия . ^{[ 1 ]}

Приложения включают в себя высокотемпературные лопатки турбин и теплообменников , трубки ^{[ 2 ]} в то время как стали используются в ядерной промышленности. ^{[ 3 ]} Материалы ОРВ используются на космических кораблях для защиты корабля, особенно во время входа в атмосферу . Сплавы ОДС благородных металлов, например сплавы на основе платины, используются в производстве стекла.

Когда дело доходит до входа в атмосферу на гиперзвуковых скоростях, свойства газов резко меняются. ударные волны Создаются , которые могут нанести серьезный ущерб любой конструкции. При таких скоростях и температурах кислород становится агрессивным.

Механизм

Дисперсионное упрочнение оксидов основано на некогерентности частиц оксида внутри решетки 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 интерфейсов приводит к высокой межфазной энергии, которая препятствует дислокации. ^{[ 4 ]} Вместо этого частицы оксида стабильны в матрице, что помогает предотвратить ползучесть. Стабильность частиц подразумевает незначительное 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 с помощью более благоприятного процесса, требующего меньше энергии, называемого скольжением дислокаций, или за счет изгиба Орована между частицами, оба из которых являются атермическими механизмами. Подъем дислокации — это диффузионный процесс, который менее энергетически выгоден и в основном происходит при более высоких температурах, которые обеспечивают достаточно энергии для продвижения за счет добавления и удаления атомов. ^{[ 6 ]} Поскольку частицы некогерентны, одних механизмов скольжения недостаточно, и доминирует более энергетически изнурительный процесс подъема, а это означает, что дислокации останавливаются более эффективно. Подъем может происходить либо на границе раздела частица-дислокация (локальный подъем), либо путем преодоления нескольких частиц одновременно (общий подъем). При локальном подъеме часть дислокации, находящаяся между двумя частицами, остается в плоскости скольжения, в то время как остальная часть дислокации поднимается по поверхности частицы. При общем наборе высоты все нарушения выходят за пределы плоскости планирования. Общий подъем требует меньше энергии, поскольку этот механизм уменьшает длину линии дислокации, что снижает энергию упругой деформации и, следовательно, является обычным механизмом подъема. ^{[ 7 ]} Для объемной доли γ' от 0,4 до 0,6 в сплавах на основе никеля пороговое напряжение для локального переползания лишь примерно в 1,25–1,40 раза выше, чем общее переползание. ^{[ 8 ]}

Дислокации не ограничиваются ни местными, ни общими подъемами, поскольку выбирается путь, требующий меньше энергии. Кооперативное восхождение — это пример более тонкого механизма, при котором дислокация движется вокруг группы частиц, а не проходит мимо каждой частицы по отдельности. Маклин заявил, что дислокация наиболее расслаблена при преодолении нескольких частиц из-за пропуска некоторых резких границ между сегментами в плоскости скольжения и сегментами, которые перемещаются вдоль поверхности частицы. ^{[ 9 ]}

Наличие некогерентных частиц вводит пороговое напряжение (σt ₎ , поскольку для того, чтобы дислокации могли пройти мимо оксидов путем переползания, необходимо будет приложить дополнительное напряжение. После преодоления частицы путем подъема дислокации могут оставаться закрепленными на границе раздела частица-матрица с помощью явления притяжения, называемого межфазным закреплением. ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]} что требует дополнительного порогового напряжения для освобождения дислокации из этого закрепления, которое необходимо преодолеть, чтобы произошла пластическая деформация. ^{[ 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 возникает из-за релаксации, вызванной уменьшением поля напряжений по мере того, как дислокация поднимается и приспосабливается к сдвиговой тяге. ^{[ 14 ]} Следующие уравнения представляют скорость деформации и напряжение в результате введения оксида.

Скорость деформации:

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

Пороговое напряжение сдвига:

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

Синтез

Шаровое измельчение

Свойства ползучести сталей ODS зависят от характеристик частиц оксидов 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 гомогенную дисперсию нанокластеров Y ₂ Ti ₂ O ₇ размером 1-5 нм, имеет превосходные свойства ползучести, чем сплав с гетерогенной дисперсией нанокластеров того же состава размером 5-20 нм. ^{[ 15 ]}

Стали с ОРВ обычно производятся путем измельчения интересующего оксида (например, Y ₂ O ₃ , Al ₂ O ₃ ) с предварительно легированными металлическими порошками с последующим сжатием и спеканием. Считается, что оксиды переходят в твердый раствор с металлом при измельчении в шарах и впоследствии выпадают в осадок при термической обработке. Этот процесс кажется простым, но для получения успешного сплава необходимо тщательно контролировать многие параметры. Лесеньёр и его коллеги тщательно контролировали некоторые из этих параметров и добились более стабильной и лучшей микроструктуры. ^{[ 16 ]} В этом двухэтапном методе оксид измельчается в шаровой мельнице в течение более длительного времени, чтобы обеспечить гомогенный твердый раствор оксида. Порошок отжигают при более высоких температурах, чтобы начать контролируемое зарождение оксидных кластеров. Наконец, порошок снова сжимается и спекается для получения конечного материала.

Аддитивное производство

НАСА использовало аддитивное производство для синтеза сплава, который они назвали GRX-810, который выдерживал температуры более 1090 °C (1990 °F). Сплав также отличался повышенной прочностью, пластичностью и долговечностью. Принтер равномерно распределил частицы оксида по всей металлической матрице. Сплав был идентифицирован с помощью 30 расчетов термодинамического моделирования. ^{[ 17 ]}^{[ 18 ]}

Преимущества и недостатки ^{[ нужна ссылка ]}

Преимущества:

Может подвергаться механической обработке, пайке, формовке и резке с помощью доступных процессов.
Образует защитный оксидный слой, который является самовосстанавливающимся.
Этот оксидный слой стабилен и имеет высокий коэффициент эмиссии.
Позволяет проектировать тонкостенные конструкции (сэндвич).
Устойчив к суровым погодным условиям тропосферы .
Низкая стоимость обслуживания.
Низкая стоимость материала.

Недостатки:

Он имеет более высокий коэффициент расширения, чем другие материалы, что приводит к более высоким термическим напряжениям.
Более высокая плотность.
Более низкая максимально допустимая температура.

См. также

Суперсплав

Ссылки

^ Оптимизация реакции ползучести при высокой температуре в _{ODS-Fe 3 Al} трубках
^ Диффузионная сварка TLP никелевого сплава ODS
^ Клю, РЛ; Шингледекер, JP; Суиндман, RW; Хельцер, Д.Т. (2005). «Стали, упрочненные дисперсией оксидов: сравнение некоторых коммерческих и экспериментальных сплавов». Журнал ядерных материалов . 341 (2–3): 103. Бибкод : 2005JNuM..341..103K . дои : 10.1016/j.jnucmat.2005.01.017 .
^ Ван, Нан; Цзи, Яньчжоу; Ван, Юнбяо; Лун-Цин, Чен (18 июня 2017 г.). «Два способа закрепления границ зерен когерентными выделениями» . Акта Материалия . 135 : 226–232. Бибкод : 2017AcMat.135..226W . дои : 10.1016/j.actamat.2017.06.031 . ОСТИ 1374188 . Проверено 22 февраля 2022 г.
^ Кадек, Йозеф (1988). Ползучесть металлических материалов (1-е изд.). Амстердам: Elsevier Science. п. 176. ИСБН 0444989161 .
^ Халл, Д.; Бэкон, диджей (2011). Введение в дислокации (PDF) (5-е изд.). ООО "Эльзевир" с. 53. ИСБН 9780080966724 . Проверено 22 февраля 2022 г.
^ Касснер, Майкл Э. (2015). Основы ползучести металлов и сплавов (3-е изд.). ООО "Эльзевир" с. 176. ИСБН 978-0-08-099427-7 .
^ Кадек, Йозеф (1988). Ползучесть металлических материалов (1-е изд.). Амстердам: Elsevier Science. п. 176. ИСБН 0444989161 .
^ Маклин, М. (апрель 1985 г.). «О пороговом напряжении дислокационной ползучести в сплавах, упрочненных частицами». Акта Металлургика . 33 (4): 545–556. дои : 10.1016/0001-6160(85)90018-5 .
^ Арцт, Э.; Уилкинсон, Д.С. (1986). «Пороговые напряжения для переползания дислокаций по твердым частицам: эффект притягивающего взаимодействия» (PDF) . Акта Металлургика . 34 (10): 1893–1898. дои : 10.1016/0001-6160(86)90247-6 .
^ Реппич, Б. (19 декабря 1998 г.). «О взаимодействии частиц и дислокаций притяжения в дисперсионно-упрочненных материалах». Акта Материалия . 46 (1): 61–67. Бибкод : 1998AcMat..46...61R . дои : 10.1016/S1359-6454(97)00234-6 .
^ Чаухан, Анкур; Литвинов, Дмитрий; де Карлан, Янн; Актаа, Джарир (21 марта 2016 г.). «Исследование механизмов деформации и повреждения стали 9Cr-ODS: эволюция микроструктуры и характеристики разрушения». Материаловедение и инженерия: А. 658 : 123–134. дои : 10.1016/j.msea.2016.01.109 .
^ Касснер, Майкл Э. (2015). Основы ползучести металлов и сплавов (3-е изд.). ООО "Эльзевир" с. 176. ИСБН 978-0-08-099427-7 .
^ Шредер, Дж. Х.; Арцт, Э. (1985). «Исследование дислокационно-дисперсионного взаимодействия в суперсплаве ODS с помощью слабого луча» (PDF) . Скрипта Металлургика . 19 (9): 1129–1134. дои : 10.1016/0036-9748(85)90022-5 .
^ Хельцер Д.Т., Бентли Дж., Соколофф М.А., Миллер М.К., Одетт Г.Р., Алинджер М.Дж. J Nucl Mater 2007;367:166.
^ Лоран-Брок, М. и др. «Влияние условий шарового помола и отжига на характеристики нанокластеров в сталях, упрочненных оксидной дисперсией». Acta Materialia 60.20 (2012): 7150-7159.
^ Сэндс, Келли (11 апреля 2022 г.). «Новый материал НАСА, созданный для того, чтобы выдерживать экстремальные условия» . НАСА . Проверено 21 апреля 2022 г.
^ Брахамбхатт, Рупендра (19 апреля 2022 г.). «Новый сплав НАСА в 1000 раз прочнее того, что сейчас используется в космических кораблях» . ЗМЭ Наука . Проверено 21 апреля 2022 г.

[1] Оптимизация реакции ползучести при высокой температуре в _{ODS-Fe 3 Al} трубках

[2] Диффузионная сварка TLP никелевого сплава ODS

[3] Клю, РЛ; Шингледекер, JP; Суиндман, RW; Хельцер, Д.Т. (2005). «Стали, упрочненные дисперсией оксидов: сравнение некоторых коммерческих и экспериментальных сплавов». Журнал ядерных материалов . 341 (2–3): 103. Бибкод : 2005JNuM..341..103K . дои : 10.1016/j.jnucmat.2005.01.017 .

[4] Ван, Нан; Цзи, Яньчжоу; Ван, Юнбяо; Лун-Цин, Чен (18 июня 2017 г.). «Два способа закрепления границ зерен когерентными выделениями» . Акта Материалия . 135 : 226–232. Бибкод : 2017AcMat.135..226W . дои : 10.1016/j.actamat.2017.06.031 . ОСТИ 1374188 . Проверено 22 февраля 2022 г.

[5] Кадек, Йозеф (1988). Ползучесть металлических материалов (1-е изд.). Амстердам: Elsevier Science. п. 176. ИСБН 0444989161 .

[6] Халл, Д.; Бэкон, диджей (2011). Введение в дислокации (PDF) (5-е изд.). ООО "Эльзевир" с. 53. ИСБН 9780080966724 . Проверено 22 февраля 2022 г.

[7] Касснер, Майкл Э. (2015). Основы ползучести металлов и сплавов (3-е изд.). ООО "Эльзевир" с. 176. ИСБН 978-0-08-099427-7 .

[8] Кадек, Йозеф (1988). Ползучесть металлических материалов (1-е изд.). Амстердам: Elsevier Science. п. 176. ИСБН 0444989161 .

[McLean-9] Маклин, М. (апрель 1985 г.). «О пороговом напряжении дислокационной ползучести в сплавах, упрочненных частицами». Акта Металлургика . 33 (4): 545–556. дои : 10.1016/0001-6160(85)90018-5 .

[10] Арцт, Э.; Уилкинсон, Д.С. (1986). «Пороговые напряжения для переползания дислокаций по твердым частицам: эффект притягивающего взаимодействия» (PDF) . Акта Металлургика . 34 (10): 1893–1898. дои : 10.1016/0001-6160(86)90247-6 .

[11] Реппич, Б. (19 декабря 1998 г.). «О взаимодействии частиц и дислокаций притяжения в дисперсионно-упрочненных материалах». Акта Материалия . 46 (1): 61–67. Бибкод : 1998AcMat..46...61R . дои : 10.1016/S1359-6454(97)00234-6 .

[12] Чаухан, Анкур; Литвинов, Дмитрий; де Карлан, Янн; Актаа, Джарир (21 марта 2016 г.). «Исследование механизмов деформации и повреждения стали 9Cr-ODS: эволюция микроструктуры и характеристики разрушения». Материаловедение и инженерия: А. 658 : 123–134. дои : 10.1016/j.msea.2016.01.109 .

[13] Касснер, Майкл Э. (2015). Основы ползучести металлов и сплавов (3-е изд.). ООО "Эльзевир" с. 176. ИСБН 978-0-08-099427-7 .

[14] Шредер, Дж. Х.; Арцт, Э. (1985). «Исследование дислокационно-дисперсионного взаимодействия в суперсплаве ODS с помощью слабого луча» (PDF) . Скрипта Металлургика . 19 (9): 1129–1134. дои : 10.1016/0036-9748(85)90022-5 .

[15] Хельцер Д.Т., Бентли Дж., Соколофф М.А., Миллер М.К., Одетт Г.Р., Алинджер М.Дж. J Nucl Mater 2007;367:166.

[16] Лоран-Брок, М. и др. «Влияние условий шарового помола и отжига на характеристики нанокластеров в сталях, упрочненных оксидной дисперсией». Acta Materialia 60.20 (2012): 7150-7159.

[17] Сэндс, Келли (11 апреля 2022 г.). «Новый материал НАСА, созданный для того, чтобы выдерживать экстремальные условия» . НАСА . Проверено 21 апреля 2022 г.

[18] Брахамбхатт, Рупендра (19 апреля 2022 г.). «Новый сплав НАСА в 1000 раз прочнее того, что сейчас используется в космических кораблях» . ЗМЭ Наука . Проверено 21 апреля 2022 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]