Oxiddispersionsförstärkt legering

Oxiddispersionsförstärkta legeringar ( ODS ) är legeringar som består av en metallmatris med små oxidpartiklar dispergerade i den. De har hög värmebeständighet, styrka och duktilitet . Legeringar av nickel är vanligast men inkluderar järnaluminiumlegeringar .

Tillämpningar inkluderar högtemperaturturbinblad och värmeväxlarrör , medan stål används i kärnkraftsapplikationer. ODS-material används på rymdfarkoster för att skydda fordonet, särskilt vid återinträde . ODS-legeringar av ädelmetall, till exempel platinabaserade legeringar, används vid glasproduktion.

När det gäller återinträde i hypersoniska hastigheter förändras gasernas egenskaper dramatiskt. Stötvågor som kan orsaka allvarliga skador på vilken struktur som helst skapas. Vid dessa hastigheter och temperaturer blir syret aggressivt.

Mekanism

Förstärkning av oxiddispersion är baserad på inkoherens hos oxidpartiklarna i materialets gitter. Koherenta partiklar har ett kontinuerligt gitterplan från matrisen till partiklarna medan inkoherenta partiklar inte har denna kontinuitet och därför slutar båda gitterplanen vid gränsytan. Denna oöverensstämmelse i gränssnitt resulterar i en hög gränsyteenergi, vilket förhindrar dislokation. Oxidpartiklarna är istället stabila i matrisen, vilket hjälper till att förhindra krypning. Partikelstabilitet innebär liten dimensionsförändring, sprödhet, effekter på egenskaper, stabilt partikelavstånd och allmänt motstånd mot förändringar vid höga temperaturer.

Eftersom oxidpartiklarna är osammanhängande kan dislokationer endast övervinna partiklarna genom att klättra . Om istället partiklarna är semikoherenta eller koherenta med gittret, kan dislokationer helt enkelt skära partiklarna genom en mer gynnsam process som kräver mindre energi som kallas dislokationsglid eller genom att Orowan böjer sig mellan partiklar, som båda är atermiska mekanismer. Dislokationsklättring är en diffusionsprocess, som är mindre energimässigt gynnsam och sker oftast vid högre temperaturer som ger tillräckligt med energi för att avancera via tillsats och avlägsnande av atomer. Eftersom partiklarna är osammanhängande räcker det inte med enbart glidmekanismer och den mer energiskt utmattande klättringsprocessen är dominerande, vilket innebär att dislokationer stoppas mer effektivt. Klättring kan ske antingen vid partikel-dislokationsgränssnittet (lokal stigning) eller genom att övervinna flera partiklar samtidigt (allmän stigning). Vid lokal klättring stannar den del av dislokationen som är mellan två partiklar i glidplanet medan resten av dislokationen klättrar längs partikelns yta. För allmän klättring kommer alla dislokationer ut genom glidplanet. Allmän klättring kräver mindre energi eftersom mekanismen minskar dislokationslinjens längd vilket minskar den elastiska töjningsenergin och därför är den vanliga klättringsmekanismen. För γ'-volymfraktioner på 0,4 till 0,6 i nickelbaserade legeringar är tröskelspänningen för lokal klättring endast cirka 1,25 till 1,40 gånger högre än allmän klättring.

Dislokationer är inte begränsade till vare sig all lokal eller all allmän klättring eftersom stigen som kräver mindre energi tas. Cooperativ climb är ett exempel på en mer nyanserad mekanism där en dislokation färdas runt en grupp av partiklar snarare än att klättra förbi varje partikel individuellt. McLean uppgav att dislokationen är mest avslappnad när man klättrar över flera partiklar på grund av att några av de abrupta gränssnitten mellan segmenten i glidplanet hoppar över till segment som färdas längs partikelytan.

Närvaron av inkoherenta partiklar introducerar en tröskelspänning (σ _t ), eftersom en ytterligare spänning kommer att behöva appliceras för att dislokationerna ska röra sig förbi oxiderna genom klättring. Efter att ha övervunnit en partikel genom klättring, kan dislokationer förbli fasta vid partikel-matrisgränssnittet med ett attraktivt fenomen som kallas gränssnittsstiftning, vilket kräver ytterligare tröskelspänning för att frigöra en dislokation ur denna stiftning, vilket måste övervinnas för att plastisk deformation ska uppstå. Detta lösgöringsfenomen är ett resultat av interaktionen mellan partikeln och dislokationen där den totala elastiska töjningsenergin reduceras. Schroder och Arzt förklarar att den extra spänningen som krävs beror på avslappningen som orsakas av minskningen av spänningsfältet när dislokationen klättrar och tar emot skjuvdragningen. Följande ekvationer representerar töjningshastigheten och spänningen som ett resultat av oxidinförande.

Töjningshastighet:

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

Tröskelskjuvspänning:

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

Syntes

Bollfräsning

ODS-ståls krypegenskaper är beroende av egenskaperna hos oxidpartiklarna i metallmatrisen, särskilt deras förmåga att förhindra dislokationsrörelse samt storleken och fördelningen av partiklarna. Hoelzer och medarbetare visade att en legering som innehåller en homogen dispersion av 1-5 nm Y ₂ Ti ₂ O ₇ nanokluster har överlägsna krypegenskaper jämfört med en legering med en heterogen dispersion av 5-20 nm nanokluster av samma sammansättning.

Förenklat schema för konventionell process av ODS-stål (a) och den modifierade processen som främjar nanooxidbildning

ODS-stål tillverkas vanligtvis genom kulfräsning av en oxid av intresse (t.ex. Y ₂ O ₃ , Al ₂ O ₃ ) med förlegerade metallpulver följt av kompression och sintring. Man tror att oxiderna går i fast lösning med metallen under kulmalning och därefter fälls ut under värmebehandlingen. Denna process verkar enkel men många parametrar måste kontrolleras noggrant för att producera en framgångsrik legering. Leseigneur och medarbetare kontrollerade noggrant några av dessa parametrar och uppnådde mer konsekventa och bättre mikrostrukturer. I denna tvåstegsmetod kulmals oxiden under längre perioder för att säkerställa en homogen fast lösning av oxiden. Pulvret härdas vid högre temperaturer för att påbörja en kontrollerad kärnbildning av oxidklustren. Slutligen komprimeras pulvret igen och sintras för att ge det slutliga materialet.

Additiv tillverkning

NASA använde additiv tillverkning för att syntetisera en legering som de kallade GRX-810, som överlevde temperaturer över 1 090 °C (1 990 °F). Legeringen uppvisade också förbättrad styrka, formbarhet och hållbarhet. Skrivaren spred oxidpartiklar likformigt genom metallmatrisen. Legeringen identifierades med hjälp av 30 simuleringar av termodynamisk modellering.

Fördelar och nackdelar

Fördelar:

• Kan bearbetas, lödas, formas, skäras med tillgängliga processer.
• Utvecklar ett skyddande oxidskikt som är självläkande.
• Detta oxidskikt är stabilt och har en hög emissionskoefficient.
• Tillåter design av tunnväggiga strukturer (sandwich).
• Motståndskraftig mot hårda väderförhållanden i troposfären .
• Låg underhållskostnad.
• Låg materialkostnad.

Nackdelar:

• Den har en högre expansionskoefficient än andra material, vilket orsakar högre termiska spänningar.
• Högre densitet.
• Lägre högsta tillåtna temperatur.

Se även

• Superlegering