在金属表面形成氧化膜的动态力学性能来衡量使用高温摩擦学的方法

文摘

金属的表面退化锅炉管和涡轮机在高温腐蚀环境中燃料燃烧发电厂系统会导致严重的问题。耐高温材料最近开发使用热障涂层(TBC)和高铬合金。氧化物薄膜或涂层上形成金属表面在高温下有时会降低腐蚀速率。然而,损坏材料通常是加速了机械去除材料表面的腐蚀产物。因此非常重要的探讨机械和胶粘剂性能的氧化膜或涂料在金属表面在高温环境中使用。本文介绍了摩擦学的方法使用一个球形弹丸冲击高温测量氧化膜上形成的机械和胶粘剂性能不同的金属表面。影响测试进行的表面氧化膜生长在高温后炉、变形或断裂表面观察为了测量机械和胶粘剂属性。机械和胶粘剂性能的弹性模量、断裂,和剥离应力测量使用影响的方法,结果取决于金属氧化物的类型电影和在高温环境。

1。介绍

植物组成材料等节能涡轮叶片高温操作机械和腐蚀性袭击遭受严重的破坏。许多研究人员研究热,耐蚀材料的开发和评估这些材料在高温腐蚀行为的活动(1- - - - - -4]。众所周知,在金属表面氧化膜形成后,氧扩散的障碍,降低了腐蚀速率。然而,损害材料由机械加速去除材料表面形成的氧化膜,可发生在日常维护等清洗。很少有加速机制调查报告(5,6]。TBC)和耐高温合金的发展可能防止植物退化引起的高温腐蚀。调查是非常重要的机械性能的涂料层的金属表面,从而影响表面之间的界面层和衬底。需要一个实用的高温环境进行测试,因为不同的属性的表面随着环境温度的变化。很少有研究关注这些属性在高温(7),尽管一些研究论文都集中在氧化物薄膜在室温下的力学性能8,9]。也是非常重要的调查这些材料的动态力学和胶粘剂性能在高温环境中。

在目前的研究中,我们使用了一个方法来测量的动态力学性能影响氧化膜的表面上形成低碳钢,钛及其合金(10,11),作为实用的植物组成材料的例子。在本文中,我们比较和讨论氧化物薄膜的机械和胶粘剂性能在各种金属材料在高温腐蚀环境,阐明实验方法的有效性的影响。选择不同的高温腐蚀性环境改变氧化膜的机械和胶粘剂性能。基于力学方程和假设的材料被用来获得氧化膜的动态机械和胶粘剂性能根据单个球形弹丸的影响和氧化物薄膜的变形和断裂现象在陨石坑。

2。实验程序

实验装置包括一个简单的炉气支线,示意图如图1。炉组成的陶瓷管,热卷,耐火材料,和一个瓶喂养不同类型的腐蚀性气体。一块标本放置在炉中高温环境。单粒子影响测试块标本(mm或毫米)在高温腐蚀环境进行了小型瓦斯枪,示意图如图1。玻璃珠2、3和5毫米直径是预计在50和70 ms⁻¹成标本,被涂上一层腐蚀产物或氧化膜。观察试样表面在高温下与摄像机连接到一台电脑。造成的剥落和分离地区的电影影响测量使用图像处理。的撞击坑被扫描电子显微镜(SEM)观察。接触压力计算的影响能量除以体积缩进,这是几何计算的火山口直径。

准静态和dynamic-indentation(影响)球形氧化锆和硬钢测试3毫米直径进行金属表面在室温下(保留时间)来获取压缩应变分布与相对缩进距离,,如图2。的压缩应变测量使用应变计证明距离为0.5毫米。计安装在试样表面,远离中心的缩进,缩进比不同,。需要确定应变压缩应变分布在金属表面上的氧化膜形成的断裂或破碎的任意测试压力。

商业软钢、纯钛和Ti-6Al-4 V(钛合金),和纯镍是目前的研究做好了准备。高温腐蚀环境包括湿空气、水蒸气,水蒸气与氯化氢0.5和10卷%瓶测试期间的平均体积百分比。测试温度恒定在873和973 K举行之前和之后的单粒子影响测试。

3所示。结果

3.1。测试高温单粒子的影响

图3节目上的陨石坑电影上形成低碳钢在不同高温腐蚀性环境在873 K。上面的照片拍摄后玻璃球的影响3毫米直径在70 ms⁻¹当膜厚度约为35μm(几小时的持续时间)。较低的照片拍摄约15小时后的影响。狭隘的剥落区域(明亮)出现在火山口边缘上的照片,和大圈区域是伴随着径向裂缝在陨石坑照片越低,如图3- - - - - -5。2区域的大小变化不仅与腐蚀环境,还与颗粒直径的条件下,影响速度,和膜厚度。在873 K方铁矿形成的电影,从钢基体磁铁矿和赤铁矿。氧化膜的表观密度降低腐蚀性的高温环境。在水蒸气的环境形成的氧化膜,包括10卷%盐酸,有粗糙表面和表观密度相对较低。

数据4和5显示类似的观察陨石坑的纯钛和钛合金在同一环境在973 K,如图2。上面的照片拍摄后玻璃球的影响5毫米直径在50或70 ms⁻¹当氧化膜的厚度约为10μm。较低的照片拍摄后约10小时的影响。径向裂缝在陨石坑无法观察到的氧化膜钛及其合金。形成的氧化膜对钛及其合金在高温环境中金红石,但氧化钛的密度不是测量由于薄膜。

图6显示上的陨石坑的SEM观察镍氧化膜影响玻璃球的直径2毫米在70 ms⁻¹在空气中在973 K和保留时间膜厚度大约是16或7μm。氧化剥落的电影中没有观察到镍标本。周向裂纹是在火山口边缘附近的区域内和径向裂缝内部和周围的陨石坑扩展到一个广阔的区域内缩进。值得注意的是,这些裂缝的陨石坑不仅在973 K,少数还在保留时间终止径向裂缝的最大长度是在973 K的影响超过保留时间最小和最大裂缝直径是公认的。

图7显示了火山口直径之间的关系和一个当量直径被定义为根号整个分离区,包括压痕面积除以吗为低碳钢(a), (b),钛及其合金(c),数据显示3- - - - - -5。在每个环境中独立的陨石坑的不同大小不同的影响速度,粒子直径、膜厚度,相关。线性曲线的斜率在潮湿空气高于低碳钢的其他环境。相反,线性曲线的斜率在水蒸气10卷% HCl高于在其他环境中钛及其合金。不同类型的金属之间的关系不同。

在镍、氧化膜的分离区域不可能被发现,但几径向裂缝观察影响弹丸的保留时间和高温。图8显示了火山口直径之间的关系直径和最大径向裂纹。增加了与冲击速度的增加,大致相关根据环境,而是独立于大的火山口越高获得的影响速度。

3.2。对各种金属的压缩应变分布

图9显示压缩压力之间的关系和相对距离,在准静态和动态压痕低碳钢和钛。压缩应变分布几乎相同的缩进比吗,任何类型的金属和缩进(准静态和动态)的过程。压缩应变下降迅速从火山口的边缘(嘴唇)。上面的压缩压力大约0.2%通常显示基质金属的塑性变形。

镍的压缩应变分布不同于低碳钢和钛,如图10。缩进和附近的压缩应变拉伸应变远离缩进被观察到。菌株在镍表面生成的值较小的生成与低碳钢和钛。

4所示。讨论

4.1。破坏和氧化膜的过程

弹丸的影响到金属表面氧化膜引起骨折或裂缝的氧化物薄膜和金属基体的塑性变形。两个断裂过程是结果分类存在与否的氧化物薄膜在金属表面形成的表皮脱落。这些过程有不同的氧化物薄膜的断裂机制。

如数据所示3- - - - - -5为低碳钢,钛及其合金、氧化膜的破坏过程包括缩进第一个断裂的区域,随后在宽的陨石坑附近区域分离,最后断裂的氧化膜在火山口的边缘;氧化膜增长反弹后弹数据所示(11日)- - - - - -11 (f)。弹丸冲击金属表面上的氧化膜,和剥落发生弹下的氧化膜的破坏。分离区逐渐扩大和增加表面径向应变分布在弹丸的影响。分离区域的径向扩展可能是决定最大压痕,最后剥落区域成立的最大陨石坑的边缘。——最终剥落的氧化分离膜断裂在完成弹丸的前进运动。弹的反弹之后,它非常有趣,分离区强调电影的差异影响增长约15小时后,无法观察到这一现象后弹丸的影响。氧化膜在分离区停止增长,推高了新的氧化膜的生长。一旦分离,旧的氧化膜保持其表面光滑。远离分离膜的外层氧化膜与增长继续变粗糙。考虑到表皮脱落的过程,它可以假定氧化膜是由剪切应力分离的伴随着表面应变,之后的分离膜表面剥落的抛射体的压应力。

氧化镍薄膜的断裂过程在纯镍估计数字12(一个)- - - - - -12 (d)。没有发生剥落的氧化镍薄膜由于优越的氧化膜和金属表面之间的附着力和少量的表面压力。径向裂缝开始在一个小区域的压痕在弹丸的影响,在外部地区发达,比缩进和终止一个更大的区域。第一个断裂或裂缝发生在小压痕和氧化镍薄膜的断裂应力。也假定氧化物薄膜的裂纹扩展由周向拉应力或应变在最后阶段生成的镍表面,裂纹长度的外部区域显示了最小应变破裂镍氧化膜。

4.2。氧化物薄膜的机械性能方程

从上述的观察断裂和剥落过程在弹丸的动态压痕,我们做了一些假设来估计剥离应力,断裂应力,和弹性模量,,动态压痕在高温下氧化膜的腐蚀环境。

我们假定剥离应力定义的表面应力,,在金属表面生成,然后可以大致估计的表面应变,,以目前的实验和高温时的应力-应变曲线,如下: 表面应变,,也被认为是剪切应变,当氧化膜在影响晚期剥落了。氧化膜的剥离应力为低碳钢、钛、及其合金测量获得的菌株,,(1)。

接触弹时,氧化膜破碎然后脱落随着表面应变的进步伴随着一个压痕的形成,最后氧化膜断裂或打破周围的边缘缩进,如图3- - - - - -5。最终断裂的边缘连接的部分冲击能量弹,因为它是在氧化膜的接触面积。力,弹的,见(2),适用于氧化膜破碎,假定等于平均接触压力的产物,(12,13),和接触面积,的电影。平均接触压力是影响能量,,除以体积缩进,: 在哪里火山口直径,如前所述,氧化膜的厚度。如果假设侵入距离最终断裂的氧化膜在压痕和氧化膜的厚度是一样的,的压力,(Pa)单位申请了氧化膜的断裂,断裂的能量,骨折,除以体积,,如下所示: nonspalled镍氧化膜的情况下,假设接触力是分离的力量应用于氧化膜的断裂和力量应用于衬底缩进。随着镍氧化膜薄,接触压力,是分离的电影的的底物。如果是这样,那么得到如下: 他泊作为屈服应力占三分之一的表面硬度14),相当于接触压力,和,因此,氧化膜的压缩断裂应力,,然后 金属氧化物薄膜通常是脆弱的,金属氧化物的弹性模量然后应该计算如下: 在哪里实验获得压缩应变。氧化物薄膜的断裂应力和弹性模量对低碳钢,钛及其合金通过(2)- (6)。

考虑到最初了和晚期裂缝长度裂纹镍氧化膜的过程,如图6,8,12断裂应力,镍的氧化膜估计使用(5),被认为是第一次裂纹时的接触压力。氧化镍薄膜的弹性模量得到使用(6)——也被称为压缩应变,这是最后一个裂纹形成的过程。

4.3。测定表面张力的测量裂缝或裂纹的过程

如图7,约相关在每个环境中,独立的不同大小的坑(不同)的不同影响速度,粒子直径,和薄膜厚度,3种类型的金属。这些数字的斜坡被视为常数,常数的比率来取决于环境。然而,压缩应变取决于的相对距离缩进缩进的中心不管的比率,材料的类型,或缩进的过程,如图9。这意味着压缩应变分布是相同的金属在高温下有效。因此,假设压缩应变,当氧化膜脱落,可以从数据中获得7和9用为。3金属的表面压力和腐蚀性环境归纳在表格1。这些菌株取决于各种氧化物薄膜中形成腐蚀性环境。氧化膜的表面应变水蒸气在低碳钢中包含10卷%氯化氢的高,因为低表观密度的氧化铁和微裂隙由于高增长率的氧化膜引起的氢氯化。

然而,最大裂纹长度(的当量直径氧化镍薄膜的同意和缩进的直径,,在每一个环境。的比例来是常数取决于环境。有趣的是,周围的应变测量压痕是镍试样的拉伸。拉伸应变,当镍氧化膜破裂可以从数据中获得8和10表中列出1。

4.4。在动态压痕过程中氧化物薄膜的机械性能

剥离应力,,估计从表面获得的菌株在这些实验中使用(1),表中列出1。氧化铁膜的剥离应力的值增加的腐蚀性环境和更大的氧化钛(金红石)电影。剥离应力可能取决于表观密度和氧化膜的微观结构。对热应力的一个例子,膨胀系数的差异,每开尔文、应变之间的低碳钢和氧化铁在潮湿空气中容易剥落的氧化铁电影100度的温差。预期的膨胀系数,和钛,氧化钛,分别估计随着温差的465 K:,从氧化钛薄膜剥落时的热应力。这些结果可能是合理的在讨论剥离氧化压力的电影。

裂缝体积之间的关系,断裂的能量,3金属的氧化物薄膜的低碳钢,钛及其合金如图13。虽然数据是分散的,一般都不错,山坡上的关系是不同的根据腐蚀环境的类型。低碳钢氧化物薄膜的断裂能量比,钛及其合金,在钢表面形成的氧化膜厚在类似的氧化时间。山坡上显示的比例来作为。然而,氧化镍薄膜的破裂压力不能得到与低碳钢和钛。图14显示了在球形镍的接触压力分布的影响在973 K和保留时间最小的接触压力,期间开始的,当一个径向裂纹的影响,断裂的压力,,得到如图15。的值修改(5各种氧化物)电影总结在表1。氧化膜的表观密度2腐蚀性环境中形成较低,因为高腐蚀性环境包括氯化氢氧化加速。值对氧化钛薄膜的断裂应力低于软钢。氧化膜的强度取决于氧化速率,并受环境和类型的金属。

的值总结了各种氧化物薄膜表1并获得和在(6)。在潮湿的空气中,值低碳钢和镍的氧化物薄膜更高,对低碳钢和低,钛及其合金在腐蚀环境中。力学性能可能反映了表观密度,电影增长率和固有的氧化膜的物理和化学性质。在目前的研究中,这些力学性能非常球形压痕过程中的动态。

4.5。故障模型动态压痕过程中氧化物的电影

上述结果的动态压痕测试各种金属在各种高温环境中显示失败模型在金属表面形成的氧化膜在动态压痕过程中,如图15。氧化物薄膜的失败模式取决于表皮脱落和断裂应力之间的相对强度。剥离应力相当于断裂应力时,氧化膜的骨折片是成比例的,但小剥离应力可能缩短骨折片的大小。更大的断裂应力倾向于扩大骨折片的大小。相反,一个相对较大的剥离应力会导致氧化膜中微裂隙和防止明显的剥落,观察到的氧化铁薄膜在高温腐蚀环境。铁和氧化钛薄膜的剥离应力测量在当前研究低于金属的强度,因此,氧化膜很容易脱落等外部力量或压力粒子的影响。

5。结论

单粒子影响测试在高温腐蚀环境中进行氧化膜上形成金属表面以获得氧化膜的动态力学性能。断裂应力的动态力学性能、剥离应力、和氧化物薄膜的弹性模量对低碳钢相比,钛及其合金,纯镍。这一研究获得的结果如下。(1)氧化膜形成的断裂应力较高的低碳钢和镍在高温环境中湿空气或干燥的空气比钛及其合金在高温腐蚀环境。(2)氧化膜的剥离应力是低碳钢在水蒸气的最高10卷%氯化氢在973 K。然而,氧化微裂隙发生在电影生产的低碳钢和低断裂应力值由于低表观密度的氧化膜在高温腐蚀环境中形成的。(3)氧化物薄膜的弹性模量的值是铁和镍、高的断裂应力也很高在高温潮湿的空气和干燥的空气环境中,但氧化值较低的其他电影的高温腐蚀性环境。(4)故障模型,提出了氧化膜在金属表面上形成一个动态压痕过程。

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