酸化物分散強化合金

酸化物分散強化合金（ODS）は、金属マトリックス内に小さな酸化物粒子が分散した合金です。耐熱性、強度、延性に優れています。ニッケル合金が最も一般的ですが、鉄アルミニウム合金も含まれます。^[1]

用途としては、高温タービンブレードや熱交換器チューブなどがあり、 [ 2 ]鋼^は原子力用途で使用されています。^{[3] ODS材料は、特に}再突入時に宇宙船を保護するために使用されます。貴金属ODS合金、例えばプラチナベースの合金は、ガラス製造に使用されます。

極超音速での再突入では、ガスの特性が劇的に変化します。あらゆる構造物に深刻な損傷を与える可能性のある衝撃波が発生します。このような速度と温度では、酸素は攻撃的になります。

酸化物分散強化は、材料の格子内の酸化物粒子の非一貫性に基づいています。一貫性のある粒子は、マトリックスから粒子まで連続した格子面を持ちますが、非一貫性のある粒子にはこの連続性がないため、両方の格子面が界面で終わっています。この界面の不一致により、界面エネルギーが高くなり、転位が妨げられます。^[4]酸化物粒子はマトリックス内で安定しているため、クリープを防ぐのに役立ちます。粒子の安定性は、寸法変化、脆化、特性への影響がほとんどなく、粒子間隔が安定しており、高温での変化に対する一般的な耐性があることを意味します。^[5]

酸化物粒子は非整合であるため、転位は登りによってのみ粒子を乗り越えることができる。代わりに、粒子が格子と半整合または整合である場合、転位は、より少ないエネルギーを必要とする転位すべりと呼ばれるより有利なプロセス、または粒子間のオロワン湾曲によって粒子を簡単に切断することができ、これらは両方とも無熱メカニズムである。転位登りは拡散プロセスであり、エネルギー的にはあまり有利ではなく、ほとんどの場合、原子の追加と除去によって前進するのに十分なエネルギーを提供するより高い温度で発生する。^[6]粒子は非整合であるため、すべりメカニズムだけでは不十分であり、よりエネルギーを消耗する登りプロセスが支配的であり、これは転位がより効果的に停止されることを意味する。登りは、粒子-転位界面（局所登り）で発生するか、一度に複数の粒子を乗り越えることによって（一般登り）発生する可能性がある。局所登りでは、2つの粒子の間にある転位の部分はすべり面にとどまり、残りの転位は粒子の表面に沿って登ります。一般的な上昇では、転位はすべてすべり面から出てきます。一般的な上昇では、転位線の長さが短くなり、弾性ひずみエネルギーが減少するため、必要なエネルギーが少なくなり、一般的な上昇メカニズムになります。^[7]ニッケルベースの合金でγ'体積分率が0.4〜0.6の場合、局所的な上昇の閾値応力は、一般的な上昇の約1.25〜1.40倍にすぎません。^[8]

転位は、エネルギー消費量の少ない経路をたどるため、すべて局所的に上昇するか、すべて全体的に上昇するかのどちらかに限定されるわけではありません。協調的上昇は、転位が各粒子を個別に通過するのではなく、粒子のグループの周りを移動する、より微妙なメカニズムの例です。マクリーンは、粒子表面に沿って移動するセグメントへの滑り面のセグメント間の急激な界面のいくつかをスキップするため、転位は複数の粒子を登るときに最も緩和されると述べています。^[9]

非整合粒子が存在すると閾値応力 (σ _t ) が発生します。これは、転位が酸化物をよじ登って通り過ぎるために、追加の応力を適用する必要があるためです。粒子をよじ登って通り過ぎた後、転位は粒子とマトリックスの界面にピン留めされたままになる可能性があり、界面ピン留めと呼ばれる引力現象が発生します。 ^{[10] [11]}この場合、転位をこのピン留めから解放するために追加の閾値応力が必要になり、塑性変形が発生するためには、この現象を克服する必要があります。^[12]この剥離現象は、粒子と転位の相互作用の結果であり、そこでは総弾性ひずみエネルギーが減少する。^[13] Schroder と Arzt は、必要な追加の応力は、転位がよじ登ってせん断牽引力に適応するときに応力場が減少することで生じる緩和によるものだと説明しています。^[14]次の式は、酸化物の導入の結果としてのひずみ速度と応力を表しています。

ひずみ速度:

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

閾値せん断応力:

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

ODS鋼のクリープ特性は、金属マトリックス中の酸化物粒子の特性、特に転位運動を防止する能力と粒子のサイズと分布に依存します。Hoelzerと同僚は、1〜5nmのY ₂ Ti ₂ O ₇ナノクラスターの均一分散を含む合金は、同じ組成の5〜20nmナノクラスターの不均一分散を含む合金よりも優れたクリープ特性を持つことを示しました。^[15]

ODS 鋼は一般に、対象の酸化物 (Y ₂ O ₃、Al ₂ O _{3など) をプレ合金化された金属粉末と}ボールミルで粉砕し、続いて圧縮および焼結することによって製造されます。酸化物はボールミル粉砕中に金属と固溶体になり、その後熱処理中に沈殿すると考えられています。このプロセスは単純に見えますが、成功する合金を製造するには多くのパラメータを注意深く制御する必要があります。Leseigneur と同僚はこれらのパラメータのいくつかを注意深く制御し、より一貫性のある優れた微細構造を実現しました。^[16]この 2 段階法では、酸化物を長時間ボールミル粉砕して、酸化物の均質な固溶体を確保します。粉末を高温でアニールして、酸化物クラスターの制御された核生成を開始します。最後に、粉末を再び圧縮して焼結し、最終材料を生成します。

NASAは、共鳴音響混合と積層造形法を使用して、1,090 °C (1,990 °F) を超える温度に耐える GRX-810 と名付けた合金を合成しました。この合金は、強度、可鍛性、耐久性も向上しています。プリンターは、酸化物粒子を金属マトリックス全体に均一に分散させました。この合金は、熱力学モデリングの 30 回のシミュレーションを使用して特定されました。^{[17] [18] [19]}

利点:

• 利用可能なプロセスを使用して機械加工、ろう付け、成形、切断が可能です。
• 自己修復する保護酸化層を形成します。
• この酸化物層は安定しており、高い放出係数を持っています。
• 薄壁構造（サンドイッチ）の設計が可能になります。
• 対流圏の厳しい気象条件に耐性があります。
• メンテナンスコストが低い。
• 材料費が低い。

デメリット:

• 他の材料よりも膨張係数が高く、熱応力が高くなります。
• より高い密度。
• 最高許容温度を下げます。

• 超合金