C103 oksidacijos gedimo mechanizmai virš 1200 laipsnių

Nb-Hf C103 lydinysdėl puikaus atsparumo šliaužimui ir stiprumo išlaikymo yra plačiai naudojamas aukštos{0}}temperatūrinės erdvėlaivių ir šiluminių sistemų komponentuose. Tačiau dirbant aukštesnėje nei 1200 laipsnių temperatūroje oksidacija tampa dominuojančiu gedimo veiksniu, o ne mechaniniu gedimu. C103 oksidacijos gedimo mechanizmų supratimas yra būtinas renkantis medžiagą, apsaugant paviršių ir įvertinant tarnavimo laiką.

C103 yra ugniai atsparus lydinys su niobio matrica, kuri aukštesnėje temperatūroje iš prigimties reaguoja su deguonimi.

Žemesnėje nei ~1000 laipsnių temperatūroje oksidacija vyksta lėtai ir gali sudaryti nenutrūkstamus oksido sluoksnius. Kai temperatūra viršija 1200 laipsnių, oksidacijos kinetika smarkiai paspartėja dėl:

• Padidėjęs deguonies difuzijos greitis į Nb matricą
• Paviršiaus oksidų nestabilumas veikiant šiluminiam stresui
• Bet kokių natūraliai susidariusių pasyviųjų sluoksnių suskaidymas

Šiame etape oksidacijos gedimas nebėra tiesinis, o eksponentinis priklausomai nuo temperatūros ir poveikio trukmės.

Pirminiai C103 oksidacijos produktai yra niobio oksidai, daugiausia Nb2O5. Šie oksidai turi keletą nepalankių savybių esant aukštai temperatūrai:

• Didelis augimo greitis su prastu prilipimu
• Didelis tūrio išsiplėtimas, sukuriantis vidinius įtempius
• Žemas mechaninis vientisumas, linkęs įtrūkti ir suskilti

Kai oksido sluoksniai įtrūksta arba atsilupa, šviežias metalinis paviršius nuolat veikiamas, todėl vyksta savaime{0}}greitėjantis oksidacijos ciklas. Šis mechanizmas yra pagrindinis oksidacijos -sukeltas medžiagos praradimas C103 aukštesnėje nei 1200 laipsnių temperatūroje.

Be paviršiaus irimo, deguonis prasiskverbia į lydinio substratą per grūdelių ribas ir defektus. Tai lemia:

• Deguonies prisodrinto{0}}trapaus sluoksnio susidarymas po paviršiumi
• Žymus plastiškumo sumažėjimas
• Padidėjęs jautrumas šiluminiam smūgiui ir mechaniniams įtrūkimams

Net pašalinus paviršiaus oksidus, požeminis trapumas išlieka negrįžtamas, dažnai nulemdamas tikrąją C103 komponentų --gyvenimo pabaigą oksiduojančioje aplinkoje.

C103 esantis hafnis teigiamai veikia, nes pagerina atsparumą aukštai temperatūrai ir atsparumą šliaužimui. Tačiau jo poveikis oksidacijai yra ribotas be apsaugos priemonių:

• Hf oksidai gali lokaliai pagerinti oksido sukibimą
• Bendras atsparumas oksidacijai vis dar priklauso nuo Nb matricos
• Hafnis nesudaro ištisinių apsauginių oksidų apnašų

Todėl vien lydinio sudėtis negali užkirsti kelio oksidacijai, kai temperatūra viršija 1200 laipsnių.

Tikrose aukštos temperatūros sistemose C103 oksidacijos sutrikimas dažniausiai pasireiškia taip:

• Progresuojantis storio mažėjimas dėl oksido išsisluoksniavimo
• Paviršiaus įtrūkimai, dėl kurių susidaro struktūrinė įtempių koncentracija
• Staigus lūžis po terminio ciklo
• Plonasienių{0}}komponentų matmenų stabilumo praradimas

Šie gedimai dažnai atsiranda prieš pasiekiant šliaužimo ar lydymosi ribas, todėl oksidacija yra pagrindinis ribojantis veiksnys.

Naudojant C103, kai temperatūra viršija 1200 laipsnių ore arba aplinkoje, kurioje yra deguonies, oksidacija turi būti sprendžiama sistemos lygiu:

• Apsauginių dangų (silicidų, aluminido ar keraminių sistemų) naudojimas
• Darbas vakuume arba inertinėje atmosferoje
• Su oksidacija{0}}susijusių medžiagų nuostolių projektavimo nuolaidos
• Griežta ekspozicijos laiko kontrolė esant didžiausiai temperatūrai

Be šių priemonių neapsaugotas C103 turėtų būti laikomas netinkamu ilgai eksploatuoti aukštesnėje nei 1200 laipsnių temperatūroje.

C103 oksidacijos sutrikimo mechanizmuose virš 1200 laipsnių vyrauja greitas oksido augimas, oksidų išsisluoksniavimas ir deguonies sukeltas trapumas, o ne mechaninė perkrova. Nors C103 išlieka didelio našumo ugniai atsparus lydinys, jo atsparumas oksidacijai yra ribotas, todėl aplinkos kontrolė ir paviršiaus apsauga yra labai svarbūs norint patikimai veikti aukštoje temperatūroje.