Определение физико-механических свойств защитного оксидного слоя методом наноиндентирования

Вакуумная плазменно-дуговая модификация частиц СВМПЭ позволяет решить одновременно несколько задач:

1) взаимодействие с кислородной или кислородсодержащей плазмой, которое приводит к образованию полярных групп в поверхностном слое полимера. Это вызывает рост поверхностной энергии полимера и, как следствие, увеличивает смачивание и величину адгезии к металлам и органическим веществам;

2) изменение молекулярного строения СВМПЭ без разрыва внутримолекулярных связей, подразумевающее изменение характера укладки углеводородных цепей;

3) плазменное легирование порошинок СВМПЭ частицами наполнителя, имеющего наноразмеры;

4) однородное перемешивание частиц СВМПЭ и наполнителя, обеспечивающее при последующем горячем прессовании однородное распределение модификатора в связующем.

Таким образом, достигнутые эффекты при модифицировании полимерной матрицы позволяют получить изделия с новым уровнем свойств, применение которых возможно, в том числе, и на борту КА.

Библиографические ссылки

1. Нусинов М. Д. Влияние космического вакуума на материалы и устройства научной аппаратуры. М. : Машиностроение, 1987. 48 с.

2. Карпов И. В., Ушаков А. В., Лепешев А. А. Исследование технологических свойств нанопорошка

TiN, синтезированного в плазме дугового разряда низкого давления // Технология машиностроения. 2013. № 2. С. 39-42.

3. Лепешев А. А., Ушаков А. В., Карпов И. В. Физико-механические и трибологические свойства нано-композиционного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и электродугового порошка TiO2 // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2012. № 7. С. 25-29.

4. Пат. 2486990 Российская Федерация. МПК B22F 1/02, С23С 14/34. Устройство для нанесения покрытий на порошки / А. В. Ушаков, И. В. Карпов, Л. Ю. Федоров, А. А. Лепешев ; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО «СФУ». № 2012115943 ; заявл. 19.04.2012 ; опубл. 10.07.2013, бюл. № 19. 6 с. : ил.

References

1. Nusinov M. D. Vlijanie kosmicheskogo vakuuma na materialy i ustrojstva nauchnoj apparatury. М. : Mashinostroenie, 1987. 48 p.

2. Karpov I. V., Ushakov A. V., Lepeshev A. A. Tehnologija mashinostroenija. 2013, vol. 2, p. 39-42.

3. Lepeshev A. A., Ushakov A. V., Karpov I. V. Zavodskaja laboratorija. Diagnostika materialov. 2012, vol. 7, p. 25-29.

4. Patent 2486990 Russian Federation.

© Федоров Л. Ю., Карпов И. В., Ушаков А. В., Лепешев А. А., 2013

УДК 620.1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗАЩИТНОГО ОКСИДНОГО СЛОЯ МЕТОДОМ НАНОИНДЕНТИРОВАНИЯ*

Е. Н. Федороваи, Н. В. Суходоева\ Д. Монсо2, Д. Окав2, В. Турк3

1 Сибирский федеральный университет Россия, 660074, Красноярск, ул. Киренского, 28 2Université de Toulouse, Institut Carnot CIRIMAT, ENSIACET BP-44362, allée Emile Monso, 31030 Toulouse cedex-4, France 3Université de Toulouse, Institut Carnot CIRIMAT, Université Paul Sabatier 118, route de Narbonne, 31062 Toulouse cedex 9, France

Метод наноиндентирования применен для определения твердости и модуля упругости оксидного слоя, формирующегося на поверхности монокристаллического суперсплава на основе никеля при высокотемпературном (1 100 °С) изотермическом окислении. Проведены серии испытаний при различной нагрузке на отполированной поверхности поперечного среза образца после окисления и на поверхности оксидного слоя. Установлено существования «размерного эффекта». Полученные экспериментальные значения модуля Юнга использованы при расчете прочности адгезии границы раздела металл/оксид.

Ключевые слова: сплавы на основе никеля, окисление, оксидный слой, наноиндентирование, твердость, модуль Юнга, адгезия.

* Исследование выполнено при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках международного научного проекта № 13-08-91053-НЦНИ_а.

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической области

DETERMINATION OF THE PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES OF THE PROTECTIVE OXIDE SCALE BY NANO-INDENTATION

12 1 2 2 3

E. Fedorova , , N.Suhodoeva , D. Monceau , D. Oquab , V. Turq

1 Siberian Federal University 28 Kirenskiy str., Krasnoyarsk, 660074, Russia 2 Université de Toulouse, Institut Carnot CIRIMAT, ENSIACET BP-44362, allée Emile Monso, 31030 Toulouse cedex-4, France 3 Université de Toulouse, Institut Carnot CIRIMAT, Université Paul Sabatier 118, route de Narbonne, 31062 Toulouse cedex 9, France

Nano-indentation test is used to determine the hardness and the Young's modulus of the thermally grown oxide formed during the high temperature (1100 C) isothermal oxidation of single crystal Ni-based superalloy. Multiple nano-indentation tests at different loads are performed on the polished cross-section and on the surface of oxide scale. The effect of applied load on the measured values is observed. The measured values of Young's modulus are used to determine the values of the work of adhesion of metal/oxide interface.

Keywords: Ni-based superalloys, oxidation, oxide scale, nano-indentation test, hardness, Young's modulus, adhesion.

В современном авиастроении для защиты поверхностей узлов и деталей из сложнолегированных жаропрочных монокристаллических никелевых сплавов, эксплуатируемых в условиях высоких температур и агрессивных сред, применяют системы теплозащитных покрытий. Сопротивление окислению сплавов на основе никеля, а также долговечность теплозащитных покрытий во многом определяются свойствами формирующегося при высокотемпературном воздействии защитного оксидного слоя. Для оценки прочности адгезии границы раздела металл/оксид используются различные методы испытаний, однако только немногие из них применимы к рассматриваемой системе: испытания на растяжение, трех- и четырехточечный изгиб, скретч-тест, методы индентирования и специально разработанные методы испытаний. Необходимо отметить значительный разброс экспериментальных значений работы адгезии. В зависимости от методов испытаний и моды нагружения (I, II) значения изменяются от 5 до 110 Дж/м2 [1-6]. При этом в большинстве работ не учитываются многослойная структура формирующегося оксидного слоя и изменение физико-механических свойств в тонких пленках по отношению к массивным материалам.

В данной работе для определения физико-механических свойств оксидного слоя после изотермического окисления (100 ч при 1 100 °С) промышленного жаропрочного монокристаллического сплава на основе никеля AM1 (7.5Cr-6.5Co-2.0Mo-5.5W-5.3Al-1.2Ti-8.0Ta) [7] применялся метод наноинден-тирования.

Подробно кинетика изотермического окисления сплава АМ1 и микроструктура формирующегося оксидного слоя исследованы в работах [8; 9]. В предыдущей работе по применению метода наноиндентиро-вания [9] приведены результаты измерений на поверхности поперечного среза. Данное исследование дополнено определением свойств на поверхности оксидного слоя.

Испытания проводились на приборе Ultra Nano-indentation Tester фирмы CSM Instrument, с использованием индентора Берковича. Для определения влия-

ния нагрузки на значения характеристик упругости и твердости проводилась серия испытаний при различных значениях максимальной нагрузки Fmax = 10, 30, 50 и 70 мН. Скорость нагружения и разгрузки составила 60 мН/мин, время выдержки при максимальной нагрузке - 30 секунд. Для каждого значения нагрузки проводилась серия испытаний по 5 отпечатков в каждой серии. Коэффициент Пуассона для оксидного слоя, который преимущественно представлен оксидом алюминия, принимался равным 0,24 [10].

При анализе зависимостей глубины проникновения индентора от приложенной нагрузки, который выполнялся с использованием метода Оливера и Фар-ра [11; 12], установлено наличие «размерного эффекта», то есть уменьшение значений твердости и модуля Юнга с ростом нагрузки. Данный факт подтверждается работами других авторов [12-14].

Показано, что применение нагрузки 10 мН позволяет существенно уменьшить разброс экспериментальных данных, в том числе в связи с более точным позиционированием индентора во время эксперимента. При данной нагрузке среднее значение модуля Юнга оксидного слоя составляет 320±15 ГПа, твердости - 15,6±0,4 ГПа.

Результаты экспериментальных исследований применены в расчетах работы адгезии при скретч-испытаниях. Показано, что для оксидного слоя толщиной 2 мкм значение работы адгезии с учетом данных, полученных методом наноиндентирования, увеличиваются на 19 % по сравнению со значениями, вычисленными с учетом теоретического модуля Юнга.

References

1. Bull S. J. Failure mode maps in the thin film scratch adhesion test // Tribology International, 1997, vol. 30. № 7, p. 491-498.

2. Wang J.-S., Evans A. G. Measurement and analysis of buckling and buckle propagation in compressed oxide layers on superalloy substrates // Acta Materialia, 1998, vol.46. № 14, p. 4993-5005.

3. Begley M. R., Mumm D. R., Evans A. G., Hutchinson J. W. Analysis of a wedge impression test for measuring the interface toughness between films/coatings and ductile substrates // Acta Materialia, 2000, vol. 48. № 12, p. 3211-3220.

4. Bamba G., Wouters Y., Galerie A., Charlot F., Dellali A. Thermal oxidation kinetics and oxide scale adhesion of Fe-15Cr alloys as a function of their silicon content // Acta Materialia, 2006, vol. 54. № 15, p. 39173922.

5. Liu Y.-F., Kagawa Y., Evans A. G. Analysis of a "barb test" for measuring the mixed-mode delamination toughness of coatings // Acta Materialia, 2008, vol. 56, p. 43-49.

6. Evans H. E. Oxidation failure of TBC systems // An assessment of mechanisms, Surface & Coatings Technology, 2011, vol. 206, p. 1512-1521.

7. Caron P., Khan T. Evolution of Ni-based superalloys for single crystal gas turbine blade applications // Aerospace Science and Technology. 1999, vol. 3, p. 513523.

8. Fedorova E., Monceau D., Oquab D. Quantification of growth kinetics and adherence of oxide scales formed on Ni-based superalloys at high temperature // Corrosion Science. 2010, vol. 52, p. 3932-3942.

9. Fedorova E., Monceau D., Oquab D., Turq V. Nano-indentation determination of the mechanical properties of the oxide scale formed by high temperature oxidation of Ni-based superalloys // EUROCORR 2012, 9-13 September, Istanbul.

10. Schutze M. Protective Oxide Scales and Their Breakdown // The Institute of Corrosion and Wiley Series on Corrosion and Protection, 2006. 165 p.

11. Oliver W. C., Pharr G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments, Mat. Res., 1992, vol. 7(6), р. 1564-1583.

12. Gololsky K. V., Lvova N. A., Useinov A. S. The use of scanning probe microscopes and nanoindentation to study the mechanical properties of solid materials at the nanoscale, Industrial Laboratory. Diagnostic of materials, 2007, vol. 73. № 6. p. 28-36.

13. Golovin Y. I. Nanoindentation and mechanical properties of solids in the submicron scale, near-surface layers and thin films // Physics of the Solid State, 2008, vol. 50 (12), p. 2113-2142.

14. Nix W. D., Gao H. Indentation size effects in crystalline materials: a law for strain gradient plasticity // J. Mech. Phys. Solids, 1998, vol. 46, p. 411-425.

© Федорова Е. Н., Суходоева Н. В., Монсо Д., Окаб Д., Турк В., 2013

УДК 621.315.592

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕСИ КИСЛОРОДА В ГЕРМАНИИ

А. Ф. Шиманский1, О. И. Подкопаев2, Т. В. Кулаковская2, П. С. Бычков3, Н. О. Голубовская3

1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31. E-mail: shimanaf@mail.ru

2ОАО «Германий»

Россия, 660027, г. Красноярск, Транспортный проезд, дом 1, стр. 10. E-mail: krasgermaniy@mail.ru

3Сибирский федеральный университет Россия, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79. E-mail: nogolubovskaya@gmail.com

Проведено исследование примеси кислорода в кристаллах германия методом ИК-спектрометрии. Установлено, что положение «кислородной» полосы в ИК-спектре германия отвечает волновому числу 842 см-1. После отжига в среде аргона в течение 10 ч волновое число возрастает до 862 см-1. Выявлена зависимость волнового числа, отвечающего колебаниям кислородной связи германия, от содержания кислорода.

Ключевые слова: германий, монокристаллы, примесь кислорода, ИК-спектрометрия, волновое число. INVESTIGATION OF OXYGEN IMPURITY IN GERMANIUM

A. F. Shimanskiy1, O. I. Podkopaev2, T. V. Kulakovskaya2, P. S. Bychkov3, N. O. Golubovskaya3

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, Russia 660014. E-mail: shimanaf@mail.ru

2OJSC "Germanium"

1, Transportnuy proezd, Krasnoyarsk, 660027, Russia. E-mail: krasgermaniy@mail.ru

3Siberian Federal University 79, Svobodnuy prosp., Krasnoyarsk, 660041, Russia. E-mail: nogolubovskaya@gmail.com

Oxygen impurity in germanium crystals by IR-spectroscopy is investigated. It is established the position of the "oxygen" bands in the IR spectrum corresponds to wave number 842 cm-1. After annealing under argon during 10 hours