کامپوزیت های سیلیکون نیتریدی تقویت شده با الیاف سیلیکون کاربیدی (2)

خواص خزشی

مقاومت خزشی، یکی از دغدغه های اولیه در اجزای چرخنده ی موتورهای توربین می باشد. نرخ های خزش بالا، می تواند منجر به بروز تغییر شکل بیش از حد و بروز تنش های غیر قابل کنترل در این اجزا می شود. مقاومت به خزش مربوط به کامپوزیت های زمینه سرامیکی تقویت شده با الیاف، به نرخ های خزش نسبی، آزاد سازی تنش و انتقال بار در بین اجزا، وابسته است. رفتار خزش کششی مربوط به کامپوزیت های SiC/RBSN که دارای 24 % حجمی مونوفیلمان های SiC است، در دمای و در گستره ی تنش بین 90 تا 150 MPa مورد مطالعه قرار گرفته است. تحت شرایط تنش خزشی، نرخ خزش حالت پایدار، در گستره ی , می باشد. در سطوح تنش کمتر از تنش مربوط به ترک خوردن زمینه، زمینه ی RBSN دارای نرخ خزش کمتر از مونوفیلمان های SiC است.
در سطوح تنش کمتر از تنش ترک خوردن زمینه، زمینه ی RBSN دارای نرخ خزش کمتر از مونوفیلمان های SiC است. بنابراین، کامپوزیت های SiC/RBSN عموماً دارای نرخ خزش آهسته تری در دمای (در سطوح تنش تا تنش 120 MPa در محیط خنثی) (همانگونه که در شکل 1 مشاهده می شود). به هر حال، به دلیل مقاومت خزش بالای زمینه ی RBSN، در طی خزش، بار از سمت مونوفیلمان های SiC به طرف زمینه ی RBSN حرکت می کند و این مسئله منجر به افزایش قابل توجه در تنش زمینه و آزاد شدن تنش فیبر، می شود. این مسئله منجر به شکست زمینه و ایجاد ترک های دوره ای در زمینه می شود. این مسئله منجر به ایجاد ترک در فیبرها می شود. این مسئله همچنین از نقطه نظر خزش، مناسب نیست زیرا استحکام خزشی کامپوزیت ها بعد از ترک خوردن زمینه، بوسیله ی استحکام گسستگی الیاف، تعیین می شود. در معرض اکسیژن بودن الیاف، منجر به شکست پیش از موعد می شود.

سیستم های سیلیکون نیترید با طناب های فیبری و پیوند واکنشی

کامپوزیت های SiC/RBSN که دارای مونوفیلمان های SiC هستند، به سه دلیل برای تولید اجزا مورد استفاده قرار نمی گیرد: اولاً این حقیقت که الیاف با قطر بزرگ، نمی توانند به خوبی خمیده شوند. دوم اینکه، ماشین کاری اجزای یک بلوک کامپوزیتی بسیار هزینه بر است و همچنین زمان بر است. سوم اینکه، کامپوزیت های SiC/RBSN دارای الیاف با قطر بزرگ، به طور مناسب در ترک های زمینه، پل ایجاد نمی کنند. محدودیت های مربوط به تقویت کننده های با قطر بزرگ، می تواند با فرایندهای پارچه بافی کنترل گردد. به هر حال، تولید SiC/RBSN دو بعدی و سه بعدی به طور کامل مورد بررسی قرار نگرفته است. Brandt و همکارانش کامپوزیت های SiC/RBSN دو بعدی را با استفاده از فرایند نفوذ دوغاب سیلیکون به داخل یک ساختار بافته شده، ایجاد کردند. این قطعه ابتدا بوسیله ی پرس گرم، متراکم شد و سپس با استفاده از فرایند پیوند واکنشی، فرایند تولید کامل گردید. استحکام و دانسیته ی این کامپوزیت ها پایین است و این کامپوزیت ها دارای بهبود متوسطی در مقدار تافنس هستند. رویه ی ساخت و خواص این کامپوزیت ها، در ادامه مورد بررسی قرار می گیرد.

فرآوری

طناب های فیبری بوسیله ی یک لایه از BN و سپس با یک لایه از SiC پوشش داده می شود. این فرایند با استفاده از روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار انجام می شود.
برای ساخت ساختارهای حصیری از جنس الیاف SiC، که با استفاده از دوغاب سیلیکونی پر شده است، طناب های پوشش داده شده با BN/SiC از طریق یک سری غلطک عبور می کند و سپس وارد یک تانک پر از سیلیکون می شوند. طناب های فیبری پوشش داده شده با دوغاب، به صورت حصیر، بر روی یک طوقه ی فلزی، بافته می شوند. کامپوزیت های پیش پرس شده، در دمایو فشار 40 MPa به مدت 15 دقیقه پرس گرم می شود و سپس، بار اعمال شده قبل از پرس گرم، آزاد می شود. سپس دما تا 1200 ℃ گرم می شود و قطعه به مدت 4 ساعت در جریان نیتروژن، نیتریده می شود.

خواص کامپوزیت های دارای طناب SiC/RBSN

داده های فیزیکی مربوط به کامپوزیت های SiC/RBSN یک بعدی و دو بعدی در دمای اتاق، جدول 1 نشان داده شده است. این کامپوزیت ها دارای 24 % حجمی فیبر SiC است و میزان تخلخل در آنها 36 % است.
نمودارهای تنش- کرنش مربوط به کامپوزیت های SiC/RBSN یک بعدی و دو بعدی حاوی طناب های فیبری در دمای اتاق، و نمودار مربوط به RBSN تقویت نشده، در شکل 2 نشان داده شده است. عموماً نمودارهای تنش- کرنش این کامپوزیت ها، دارای دو ناحیه است: یک ناحیه ی الاستیک خطی و یک ناحیه ی غیر خطی. در نقطه ی خمیدگی که در واقع انتقال از حالت الاستیک به حالت خطی انجام می شود، یک ترک عرضی عمود بر جهت بارگذاری ایجاد می شود اما این ترک به طرو جزئی در جهت ضخامت، رشد می کند. این مکانیزم های تخریب برخلاف چیزی است که در کامپوزیت های SiC/RBSN تقویت شده با مونوفیلمان های SiC مشاهده می شود. در این کامپوزیت ها، ترک ها تنها در ضخامت زمینه، ایجاد می شود. وقتی بارگذاری افزایش یابد، ترک های عرضی در طول نمونه ی ایجاد می شود، تا زمانی که شکست به اتمام برسد. سطح شکست نشاندهنده ی کشش قابل توجه در فیبر می باشد. داده های مربوط به خواص کششی این کامپوزیت ها در جدول 2 آورده شده است.

روش های محافظت اکسیداسیونی برای کامپوزیت های SiC/RBSN

تخلخل های داخلی در کامپوزیت های SiC/RBSN می تواند کنترل گردد اما این نمی توان این تخلخل ها را در طی فرآوری کامپوزیت ها، حذف کرد. تخلخل های داخلی مرتبط برای کامپوزیت های SiC/RBSN، یک مسئله ی الزامی است که علت آن، مقاومت به اکسیداسیون ضعیف در دماهای متوسط (400 تا ) و مقاومت ضعیف در برابر سیکل های گرمایی می باشد. برای جلوگیری کردن از مسئله ی اکسیداسیون داخلی، چندین روش مانند نفوذ یک پلیمر در کامپوزیت های RBSN، پوشش دهی سطحی کامپوزیت های RBSN با یک لایه ی SiC یا با استفاده از روش CVD یا ایجاد لایه های چندتایی از شیشه و SiC از طریق روش CVD می باشد. کامپوزیت های مونوفیلمانی SiC/RBSN که در آنها پلیمر نفوذ داده شده است، در دماهای بزرگتر از 800 ℃، دارای مقاومت به اکسیداسیون بهتری نسبت به کامپوزیت های SiC/RBSN بدون پوشش می باشد اما بعد از 100 ساعت در معرض محیط قرار گرفتن، رفتار اکسیداسیون کامپوزیت های تولید شده با نفوذ پلیمر و کامپوزیت های SiC/RBSN تولید شده بدون نفوذ پلیمری، یکسان است. در طی قرارگیری طولانی در دماهای بالا، سیلیکون نیترید مشتق شده از
پلیمر، ری کریستاله می شود و این مسئله موجب ایجاد ترک و تخلخل های شرینکیجی می شود که این بخش ها موجب باز شدن سطح آب بندی شده ی کامپوزیت می شود. به عبارت دیگر، SiC تولید شده با روش CVD و کامپوزیت های مونوفیلمانی SiC/RBSN شیشه ساز، حفظ می گردند. این مسئله هم در آزمون سیکلی و هم در آزمون استاتیک (در دماهای ماکزیمم برای 10 ساعت)، مشاهده می شود. هسته ی کربنی و پوشش غنی از کربن بر روی الیاف مونوفیلمان SiC که به سطح بسیار نزدیک هستند، هنوز هم برهمکنش می دهند. این مسئله پیشنهاد می دهد که کامپوزیت های SiC/RBSN می تواند برای کاربردهای دما بالا مورد استفاده قرار گیرد و بدین صورت پوشش های مهیا گردد که در شرایط کاری، به طور کامل، ترک نمی خورند.

آزمون ساب المنت (Sub-Element Testing)

پایداری اکسیداسیون مربوط به کامپوزیت های مونوفیلمان SiC/RBSN با پوشش سطحی، در آزمون شعله موجب شد تا علاقه ها در زمینه ی استفاده از این کامپوزیت ها برای اجزای بدون نیاز به خنک سازی برای کاربردهای موتوری کوچک، افزایش یابد. پره های توربین از ورق های کامپوزیتی یک و دو بعدی از جنس SiC/RBSN ماشین کاری می شوند. سطح این پره ها با استفاده از یک پوشش CVD SiC پوشش دهی می شوند که این پوشش ها، شیشه ساز می باشند. هم پره های پوشش دار و هم پره های بدون پوشش در دمای به مدت 10 ساعت، تحت آزمون موتور قرار داده می شوند. پره های بدون پوشش تخریب شدیدی را متحمل می شوند، در حالی که پره های با پوشش سطحی، در طی آزمون، کمترین تخریب را متحمل می شوند (شکل 3).

کامپوزیت های SiC/ سیلیکون نیترید متراکم

ساختارهای متشکل از الیاف تقویت کننده ی SiC و پودر سیلیکون نیترید، بدون هیچ کمک ذوبی، به سختی با استفاده از روش های زینترینگ با کمک فشار، متراکم می شوند. علت این مسئله، این است که نفوذ حجمی مربوط به سیلیکون نیترید به اندازه ی کافی بالا نیست که بتوان اثرات ممانعت کننده در برابر متراکم شوندگی و پدیده های تبیخیری را متعادل نمود. برای افزایش متراکم شوندگی، این ضروری است که در طی ساخت کامپوزیت های ، به پودر سیلیکون نیترید، افزودنی های مناسب افزود. در طی زینترینگ با استفاده از اعمال فشار، افزودنی اکسیدی با سیلیس موجود در سطح پودر سیلیکون نیترید واکنش می دهد و سیلیکات با فرمول پیچیده تشکیل می شود. یکی از محدودیت های مربوط به سیلیکات ها، این است که آنها نسبت به سیلیکون نیترید دیرگدازی کمتری دارند. بنابراین، خواص دما بالای مربوط به کامپوزیت های بوسیله ی خاصیت این سیلیکات ها، کنترل می شود نه بوسیله ی خواص سیلیکون نیترید. دو موضوع اصلی در مورد روش های زینترینگ با کمک فشار، احتمال تخریب الیاف در طی فرآوری و ظرفیت شکلی محدود این اجزا می باشد.
Rice و همکارانش کامپوزیت های تقویت شده با الیاف SiC را با روش ریخته گری دوغابی و روش پرس گرم، تولید کرده اند. رویه ی فرآوری این کامپوزیت ها، شامل توزیع یک آرایه از الیاف SiC در داخل دوغاب سیلیکون نیترید و آماده سازی بدنه ی خام می باشد. سپس بدنه ی خام تحت پرس گرم (در دمای 1500 ℃) قرار می گیرد. کامپوزیت های تولید شده، دارای تافنس شکست بالایی هستند اما استحکام آنها نسبت به استحکام نمونه وار قابل حصول در نمونه های آماده سازی شده با پرس گرم، متوسط است. چندین فاکتور مانند توزیع غیر یکنواخت الیاف، تخریب الیاف در دمای فرآوری و متراکم شوندگی ناقص، به عنوان دلایلی از استحکام محدود این قطعات، بیان شده است. Shetty و همکارانش تولید کامپوزیت های را گزارش داده اند که شامل مونوفیلمان های SiC هستند. استفاده از پوشش های دوغابی و همچنین اتصال فیلمان ها به همدیگر، موجب بهبود این خاصیت می شود. این قطعات در دمای در محیط نیتروژن و فشار 27 MPa زینتر می شوند. استحکام سه نقطه ای مربوط به کامپوزیت های تولید شده، به طور قابل توجهی کمتر از سیلیکون نیترید تقویت نشده است. مقاومت در برابر شروع ترک در این کامپوزیت ها، با زمینه ی قابل مقایسه می باشد و اندکی از آن بالاتر است اما مقاومت در برابر انتشار ترک در این کامپوزیت ها به طور قابل توجهی بالاتر است. تخریب استحکام مربوط به الیاف در طی قرارگیری در محیط، تنش های باقیمانده ی کششی و تخریب فیلمان ها در طی پرس گرم، فاکتورهای محتملی هستند که موجب تضعیف استحکام این کامپوزیت ها می شود. Foulds و همکارانش با بهبود روش های فرآوری، قادر به تولید متراکم، مسحکم و با تافنس بالا هستند. Razzell و Lewis کامپوزیت های متراکم را با استفاده افزودنی های کمک ذوب اکسیدی و مونوفیلمان های SiC تولید کرده اند.
استحکام خمشی سه نقطه ای مواد کامپوزیتی مشابه کامپوزیت های سیلیکون نیتریدی تقویت نشده است، اما این کامپوزیت ها دارای چندین مکانیزم افزایش تافنس می باشند. Nakano و همکارانش تولید کامپوزیت های را با استفاده از طناب های SiC و اعمال روش پرس گرم، گزارش داده اند. استحکام خمشی و تافنس شکست مربوط به این کامپوزیت ها در دمای اتاق، به ترتیب، برابر با 702 MPa و 20.2 MPa می باشد. وقتی آزمون در دمای 1400 ℃ انجام شود، این کامپوزیت ها، تخریب می شوند. فرآوری و خواص مربوط به کامپوزیت های دارای مونوفیلمان های SiC در بخش بعدی بحث خواهد شد (شکل 4).

فرآوری

مونوفیلمان های SiC تنظیم و بر روی بخش خارجی یک قطعه، بافته می شوند. برای حفظ فاصله ی میان این الیاف، از رزین استفاده شده است. بافته های متشکل از رزین و فیبر، از سطح مدل جداسازی شده و به عنوان لایه ای میان پودر زمینه مورد استفاده قرار می گیرد و بر روی آن عملیات پرس گرم، اعمال می شود. در یک روش جایگزین، مونوفیلمان های SiC بر روی یک صفحه ی واکسی قرار گرفته بر روی یک قطعه بافته می شود و سپس پودر سیلیکون نیترید با دوغاب پلیمری مخلوط می شود و سپس بر روی فیلمان ها اسپری می شود تا بدین صورت یک لایه ی انعطاف پذیر، تشکیل شود. این لایه می تواند بریده شود، خمیده شود و یا با استفاده از پرس گرم، مورد عملیات حرارتی قرار گیرند. این رویه ی تولید، موجب می شود تا بتوان فاصله ی بین الیاف و جهت گیری آنها، را به خوبی تنظیم کرد. سپس قطعات تشکیل شده از فیبر/ رزین در قالب گرافیتی، میان لایه هایی از زمینه قرار داده می شود. پودر زمینه شامل 5 % وزنی ایتریا و 1.25 % اکسید منیزیم است. این اکسیدها، کمک ذوب هستند. ساختار ایجاد شده در دمای 1700 ℃ و تحت فشار 70 MPa به مدت 1 ساعت تحت عملیات پرس کاری قرار می گیرد. کامپوزیت های تولید شده به طور نمونه وار مقدار دانسیته ای برابر با 3.2 mg/cc دارند. این دانسیته، دانسیته ی نمونه وار مربوط به کامپوزیت های SiC/〖Si〗_3 N_4 دارای 30 % حجمی الیاف کربنی می باشد. توزیع یکنواخت الیاف SiC در داخل زمینه ی ایجاد شده است و پوشش کربنی ایجاد شده بر روی الیاف سالم باقی مانده است.

خواص فیزیکی و مکانیکی

رفتارهای تنش- کرنش مربوط به کامپوزیت های مونوفیلمانی یک بعدی و دو بعدی در دمای اتاق، دارای تنش ترک خوردن بالایی در بخش زمینه می باشد اما قابلیت کرنش آنها محدود می باشد.
داده های مربوط به خواص کامپوزیت های در مقالات ارائه شده است. کامپوزیت های یک بعدی دارای استحکام نهایی 380 MPa و استحکام ترک خوردن 450-475 MPa هستند. خواص فیزیکی و مکانیکی مربوط به این مطالعات در جدول 3 آورده شده است.

خواص خزش

رفتار خزش کششی مربوط به کامپوزیت های در دمای 1350 ℃ و در هوا مورد بررسی قرار گرفته است. این کامپوزیت های غیر جهت دار که شامل 30 % حجمی فیبر مونوفیلمان SiC هستند، در سطوح تنشی 70، 110، 150 و 190 MPa تحت آزمون خزش قرار گرفته اند (شکل 5). نرخ خزش حالت پایدار مربوط به این کامپوزیت ها در سطح تنش 70 MPa برابر با و در سطح تنش 150 MPa، برابر با می باشد. شیب مربوط به نمودار نرخ خزش حالت پایدار نسبت به تنش خزشی، به میزان تقریبی 7 می رسد که این مقدار با توان های تنشی 4 تا 6 قابل مقایسه است که برای خزش کششی قطعات مونولیتیکی مشاهده گردیده است. برای یک تنش مشابه، نرخ خزش متوسط حالت پایدار برای این کامپوزیت ها، 4 برابر کمتر از نرخ خزش کششی مربوط به HP است. در تنش های پایین (تقریباً 70 MPa، شکست های خزشی با خروج و جداشدن الیاف از زمینه، همراه است. میزان جداشدن الیاف در زمانی کاهش می یابد که تنش خزشی افزایش یابد. برای نمونه های خزش یافته در سطوح خزشی 70 تا 110 MPa، یک کسر اندک از الیاف در طی تغییر شکل خزشی می شکنند.

مقاومت در برابر ضربه

اجزای توربین، مخصوصاً پره ها و تیغه ها تحت تخریب های ضربه ای واقع می شوند. بنابراین، مکانیزم ها و نتایج حاصله از ایجاد آسیب های ضربه ای بر روی خواص استحکامی این قطعات، یکی از مسائل مهم در طراحی اجزای توربین می باشد. برای ارزیابی مقاومت در برابر ضربه ی بالستیکی HP، Foulds و همکارانش قطعات کامپوزیتی مونولیتیک تولید شده با پرس گرم و اجزای دو بعدی را مورد ارزیابی قرار دادند. نمونه های کامپوزیتی متحمل تخریب های محلی شدند اما ماده ی مونولیتیک به طور کامل تکه تکه شده است.

کاربردها

به دلیل مدول و استحکام ویژه ی، تافنس و رسانایی گرمایی پایین، کامپوزیت های SiC/RBSN دارای طناب های فیبری SiC، یکی از کاندیداهای مناسب برای اجزای بدون نیاز به خنک سازی مانند داکت های داخلی توربین، لاینرهای محفظه ی احتراق، تیغه های نازل، فلپ واگرا و همگرا و پره ها می باشد. به هر حال، این اجزا باید با پوشش های سطحی پوشش دهی شوند تا از اکسیداسیون آنها، جلوگیری شود. سایر کاربردهای این مواد شامل پوشش های محافظ رادار یا نازل های مواد خارج شده از اگزوز می باشد. به عبارت دیگر، استفاده از کامپوزیت های SiC/RBSN یا کامپوزیت های 〖SiC/Si〗_3 N_4 متراکم که دارای مونوفیلمان های SiC می باشد، به اجزای با شکل ساده مانند نگهدارنده های شعله، فلپ های همگرا و واگرا و مواد عایق کننده ی دما بالا، محدود شده است.

خلاصه و نتیجه گیری

مطالعات مختلف نشاندهنده ی این است که می توان کامپوزیت های SiC/RBSN و با خواص استحکامی، تافنس، خزش و مقاومت به ضربه ی خوب تولید کرد. موارد مهم مربوط به این مطالعات به صورت زیر است:
1) کامپوزیت های SiC/RBSN که دارای مونوفیلمان ها می باشد، تنها برای استفاده در قطعات با شکل ساده، مناسب می باشد. به هر حال، ظرفیت شکلی مربوط به SiC/RBSN می تواند با استفاده از فرآوری ساختار پارچه های بافته شده، بهبود یابد.
2) تخلخل های داخلی مربوط به کامپوزیت های SiC/RBSN اجتناب ناپذیر می باشند و موجب کاهش مقاومت به اکسیداسیون و رسانایی گرمایی این کامپوزیت می شود. پوشش های با سطح هدفمند، برای شرایط بدون تنش، مسئله ی اکسیداسیون را حل کرده اند.
3) متراکم می تواند با اعمال فشار در حین زینترینگ، تولید شود، اما روش های فرآوری، اجازه ی تولید شکل های پیچیده را به ما نمی دهد. شرایط تولید دما بالا همچنین موجب تخریب الیاف می شود و از این رو، استحکام نهایی و ظرفیت کرنشی این قطعات را کاهش می دهد. به عنوان نتیجه، پتانسیل استفاده از کامپوزیت های بسیار محدود می باشد .