Сравнительный анализ механизмов разрушения оксидного слоя на поверхности сплавов на основе никеля
, ,
Красноярск, Россия
В работе рассмотрены основные механизмы отслоения защитного оксидного слоя, формирующегося на поверхности жаропрочных сплавов на основе никеля при высокотемпературном окислении. Жаропрочные монокристаллические сплавы с системой теплозащитных покрытий (ТЗП) широко используются в лопатках газовых турбин авиационного назначения. Значительное внимание на современном этапе уделяется как улучшению свойств жаропрочных сплавов, так разработке и прогнозированию механического поведения систем с теплозащитными покрытиями с целью обеспечение работы конструкций в течение заданного времени эксплуатации, повышению их надежности и долговечности. Проблема низкой прочности адгезии в системах с теплозащитными покрытиями возникает на границе раздела металл-оксид. Основная причина заключается в возникновении термических напряжений при длительной эксплуатации в условиях циклического изменения температуры [1,2]. В данной работе рассматривается энергетический подход к оценке прочности адгезии на границе раздела металл-оксид. Выполнен расчет скорости высвобождения упругой энергии для границы раздела для отслоения по механизму «вздутия», как наиболее часто встречающегося в рассматриваемой системе согласно многочисленным литературным данным [2-5]. Существует значительный разброс значений работы адгезии для аналогичных систем в зависимости от типов нагружения (I, II) от 20 до 100 Дж/м2 [6-9]. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории Электронной микроскопии Центра коллективного пользования СФУ. Проведено изотермическое окисление (T = 1150 °С, 9 ч) промышленных монокристаллических суперсплавов первого и второго поколения на основе никеля. Выявлены особенности и проведен сравнительный анализ микроструктуры оксидных пленок, формирующихся на поверхности сплавов. Для инициации разрушения пленки с целью изучения механизмов разрушения проведены эксперименты в режиме быстрого нагрева и быстрого охлаждения. Расчеты скорости высвобождения упругой энергии для границы раздела сплав/оксид для краевого отслоения по механизму «вздутия» проводились с учетом многослойной структуры оксидного слоя, а так же с использованием эффективных характеристик по методике [2]. Получены значения энергии адгезии G = 30,6 Дж/м2 и G = 57,4 Дж/м2 соответственно. Результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными и расчетными данными других авторов [6-9].
Работа выполнена в рамках совместных исследований с Д. Монсо и Д. Окабом CIRIMAT (г. Тулуза, Франция).
Литература
1. N. Birks: Introduction to the high-temperature oxidation of metals /N. Birks, G. H. Meier, F. S. Pettit. - Cambridge Universitynd Edition. – P. 338.
2. J. W. Hutchinson, M. D. Thouless, E. G. Liniger: Growth and configurational stability of circular, buckling-driven film delaminations/ Acta metal. mater. (1992) Vol.40, №2, pp. 295-308.
3. J. S. Wang, A. G. Evans: Effect of strain cycling on buckling, cracking and spalling of a thermally grown alumina on a nickel-based bond coat/ Acta Mater. (1999) Vol 47, №2, pp. 699-710
4. S. J. Bull: Failure mode maps in the thin film scratch adhesion test/ S. J.Bull. - Tribology international. – 1997. – Vol.30. - №7. – P. 491-498.
5.M. Schutze: Protective Oxide Scales and Their Breakdown / The Institute of Corrosion and Wiley Series on Corrosion and Protection, (2006) – 165.
6. H. E. Evans Oxidation failure of TBC systems: An assessment of mechanisms/ Surface & Coatings Technology, (2011) – 10.
7. S. J. Bull Failure mode maps in the thin film scratch adhesion test/ S. J.Bull. - Tribology international. – 1997. – Vol.30. - №7. – P. 491-498.
8. Mennicke, C., He, M.-Y., Clarke, D. R. and Smith, J. S. The role of secondary oxide inclusions (“pegs'') on the spalling resistance of oxide films. Acta Mater. (48), 2941-2
9. E. Fedorova, D. Monceau, D. Oquab: Quantification of growth kinetics and adherence of oxide scales formed on Ni-based superalloys at high temperature/ Corrosion Science–3942.
