مکانیسم های شکست اکسیداسیون C103 بالای 1200 درجه

آلیاژ Nb-Hf C103به دلیل مقاومت عالی در برابر خزش و حفظ استحکام، به طور گسترده در اجزای سیستم هوافضا و حرارتی با دمای بالا-استفاده می‌شود. با این حال، هنگامی که بالاتر از 1200 درجه کار می کند، اکسیداسیون به جای تخریب مکانیکی، عامل اصلی شکست می شود. درک مکانیسم های شکست اکسیداسیون C103 برای انتخاب مواد، حفاظت از سطح و ارزیابی عمر مفید ضروری است.

C103 یک آلیاژ نسوز با ماتریس نیوبیم است که ذاتاً با اکسیژن در دماهای بالا واکنش نشان می دهد.

زیر 1000 درجه، اکسیداسیون به کندی پیشرفت می کند و ممکن است لایه های اکسید ناپیوسته ای را تشکیل دهد. هنگامی که دما از 1200 درجه فراتر رفت، سینتیک اکسیداسیون به دلیل موارد زیر به شدت تسریع می شود:

• افزایش سرعت انتشار اکسیژن در ماتریس Nb
• ناپایداری اکسیدهای سطحی تحت تنش حرارتی
• تجزیه هر لایه غیرفعال به طور طبیعی تشکیل شده است

در این مرحله، شکست اکسیداسیون دیگر خطی نیست، بلکه با دما و زمان قرار گرفتن در معرض نمایی است.

محصولات اکسیداسیون اولیه C103 اکسیدهای نیوبیوم، عمدتا Nb2O5 هستند. این اکسیدها چندین ویژگی نامطلوب را در دمای بالا نشان می دهند:

• نرخ رشد بالا با چسبندگی ضعیف
• گسترش حجم زیاد، ایجاد تنش های داخلی
• یکپارچگی مکانیکی پایین، مستعد ترک خوردگی و پوسته پوسته شدن است

همانطور که لایه‌های اکسید ترک می‌خورند یا پوسته می‌شوند، سطح فلز تازه به طور مداوم در معرض دید قرار می‌گیرد که منجر به یک چرخه اکسیداسیون تسریع‌کننده-می‌شود. این مکانیسم یک عامل کلیدی در از دست دادن مواد ناشی از اکسیداسیون-در C103 بالای 1200 درجه است.

فراتر از تخریب سطح، اکسیژن از طریق مرزهای دانه و نقص به زیرلایه آلیاژ نفوذ می کند. این منجر به:

• تشکیل یک لایه شکننده{0}} غنی شده با اکسیژن در زیر سطح
• کاهش قابل توجه شکل پذیری
• افزایش حساسیت به شوک حرارتی و ترک های مکانیکی

حتی اگر اکسیدهای سطحی حذف شوند، تردی زیرسطحی غیرقابل برگشت باقی می‌ماند و اغلب پایان واقعی-عمر- اجزای C103 در محیط‌های اکسیدکننده را مشخص می‌کند.

هافنیوم موجود در C103 با بهبود استحکام دمایی بالا و مقاومت در برابر خزش کمک می کند. با این حال، تأثیر آن بر اکسیداسیون بدون اقدامات حفاظتی محدود است:

• اکسیدهای Hf ممکن است به صورت موضعی چسبندگی اکسید را بهبود بخشند
• مقاومت کلی اکسیداسیون هنوز توسط ماتریس Nb کنترل می شود
• هافنیوم یک مقیاس اکسید محافظ پیوسته تشکیل نمی دهد

بنابراین، ترکیب آلیاژ به تنهایی نمی تواند از شکست اکسیداسیون در دماهای بیش از 1200 درجه جلوگیری کند.

در سیستم‌های{0}در دمای بالا، شکست اکسیداسیون C103 معمولاً به صورت زیر ظاهر می‌شود:

• کاهش ضخامت پیشرونده به دلیل پوسته شدن اکسید
• ترک های سطحی که منجر به تمرکز تنش ساختاری می شود
• شکستگی ناگهانی بعد از ترمال سیکل
• از دست دادن ثبات ابعادی در اجزای دیوار نازک-

این خرابی ها اغلب قبل از رسیدن به حد خزش یا ذوب رخ می دهد و اکسیداسیون را به عامل محدود کننده اصلی تبدیل می کند.

برای کاربردهایی که شامل C103 بالای 1200 درجه در هوا یا محیط‌های حاوی اکسیژن{2}}است، اکسیداسیون باید در سطح سیستم بررسی شود:

• استفاده از پوشش های محافظ (سیلیسید، آلومینید یا سیستم های سرامیکی)
• عملیات در خلاء یا اتمسفر بی اثر
• هزینه های طراحی برای از دست دادن مواد مربوط به اکسیداسیون-
• کنترل دقیق زمان قرار گرفتن در معرض در دمای اوج

بدون این اقدامات، C103 محافظت نشده باید برای خدمات طولانی مدت بالای 1200 درجه نامناسب در نظر گرفته شود.

مکانیسم‌های شکست اکسیداسیون C103 بالاتر از 1200 درجه تحت تأثیر رشد سریع اکسید، پوسته شدن اکسید، و تردی ناشی از اکسیژن-به جای اضافه بار مکانیکی قرار دارند. در حالی که C103 یک آلیاژ نسوز با کارایی بالا باقی می ماند، مقاومت اکسیداسیون ذاتی آن محدود است و کنترل محیطی و حفاظت از سطح را برای عملکرد قابل اعتماد در دمای بالا ضروری می کند.