Rezultate


Rezultate 2016

In 2016 am completat investigatiile SEM si TEM cu Analiza termogravimetrica (TGA)

Analiza termogravimetrica (TGA)

Aceasta analiza a fost folosita pentru probele RuAl obtinute din pulberi si sinterizate prin metoda SPS (Spark Plasma Sintering) detalii Faza VII. SPS s-a realizat intr-un creuzet de grafit, in urmatoarele conditii:

- Proba SPS 2 - temperatura joasa, palier 0, 930 C, 9 kN, ~ 80 MPa
- Proba SPS 3 - intre folii de W, temperatura inalta, 1300 C, 8 kN, ~ 70 MPa

Graficele de ciclu sunt prezentate in fig. 1 a) si b).

Probele au fost analizate SEM si ulterior supuse analizei termogravimetrice (TGA). Aceasta analiza descrie cinetica oxidarii in-situ prin masurarea fluctuatiilor de masa in timpul oxidarii la temperaturi inalte.

In cazul de fata, termogramele au fost obtinute utilizand un sistem de analiza Netzsch STA 449 F5 Jupiter iar oxidarea a avut loc in atmosfera de oxigen, la 1100C pentru 1h, respectiv 10h
.
fig1a
Fig. 1 Graficul de ciclu pentru proba a) SPS2 si b) SPS 3

Fig. 2 Imagini SEM ale probei SPS3, sectiune transversala, suprafata de fractura
Fig. 3 Imagini SEM ale probei SPS2 in modul Back-Scattered; suprafata de fractura, sectiune transversala

Fig. 2 si 3 prezinta imagini SEM ale probelor SPS 2 si 3 in sectiune transversala, suprafata de fractura. Spre deosebire de proba SPS3, proba SPS2 analizata in modul Back-Scattered, indica prezenta Ru la limita de graunte.

n figura 4 sunt prezentate termogramele TGA corespunzatoare probelor SPS2, SPS3 oxidate pentru 1h si respectiv SPS3-10h in atmosfera de oxigen, in intervalul 25-1100 C cu o crestere a temperaturii de 10C/min. Probele SPS2 si SPS3 au fost analizate in intervalul de temperatura. Se observa o crestere dinamica urmata de o izoterma la 1083C timp de o ora, respectiv 10 ore.

sus


Rezultate 2015


In anul 2015 am aratat inca o data, prin analize TEM si SEM absenta fazei delta-Ru si in cazul oxidarii la 1100C pentru 100h.
De asemenea, aliajul RuAl obtinut din pulberi de Ru si Al aliat mecanic si sinterizat prin metoda SPS (Spark Plasma Sintering) a fost supus la temperaturi criogenice.

Stratul de oxid masoara in jur de 6 m. Acesta pare a avea dubla morfologie: graunti columnari deasupra substratului si equiaxiali la suprafata. Faptul ca aceste doua morfologii cresc in timpul oxidarii sugereaza difuzia simultana de la exterior spre interior a oxigenului, care duce la morfologia columnara si difuzia din interior spre exterior a Al, care duce la structura equiaxiala.

Subliniem din nou, ca si in cazul oxidarii pentru 10h, absenta stratului delta-Ru raportat in toata literatura de specialitate pana in prezent si care reprezinta marea provocare a oxidarii acestui tip de aliaj.

Pentru o mai buna intelegere a procesului de oxidare, aceasta proba, ca si cea oxidata pentru 10h, a fost analizata la TEM si a confirmat absenta stratului delta-Ru (fig. 1).

fig1.1 fig1.2
Fig. 1 Analiza TEM. Harta elementelor chimice in sectiune transversala a aliajului RuAl oxidat pentru 100h care indica lipsa stratului delta-Ru

Analiza FEA - ANSYS

De asemenea, s-a urmarit evolutia cimpurilor de tensiuni mecanice intr-o structura de filme subtiri la nivel cristalin (utilizata ca bariera termica).

Aceasta structura se compune din strat de alumina crescuta pe un substrat de RuAl la o temperatura de 1100°C. S-a pus in evidenta, in urma analizelor SEM, la interfata cristalina prezenta unui strat de Ru. Structura cristalina a fost analizata la temperatura de 1100°C si subsecvent structura a fost supusa unei diferente de temperatura pe domeniul temperaturilor quasi-criogenice, -170°C.

Solutia de analiza aleasa a fost static termo-mecanic, campurile de tensiune mecanica fiind generate de incarcarea termica. Prin urmare prima parte a analizei este termica si nu se insista asupra ei. Incarcarea termica pleaca de la temperatura mediului ambiant 22°C si merge pina la 1100°C replicand astfel cresterea aluminei.

A) Primul pas este analiza la incarcarea termica de 1100oC. Temperatura este aplicata (1100°C) corpuri solide aflate la temperatura de mediului ambiant (22°C) intr-un singur pas (analiza stationara).
Rezultatele analizei termice au fost transferate modulului structural atasate geometriei.

Au fost urmarite urmatoarele:
- deformatia totala. Deformatia maxima totala apare in centru modelului in valoare de 3.5x10-7m, in zona convexa (tinand cont de pozitionarea corpurilor solide - cu stratul de Ru Al Al2O3 pe partea superioara, -Z), figura 2.
fig2.1 fig2.2

Fig. 2a. Harta deformatiilor totale - convexa; 2b linii izometrice

B) Pasul secund a constat in expunerea modelului la o temperatura descrescatoare in domeniul sub-zero. Diferenta de temperatura este de cca. 200°C de la 22°C (temperatura mediului, de referinta) la -170°C, a fost aplicata intr-un singur pas (analiza stationara).

Au fost urmarite urmatoarele:
- deformatia totala. Deformatia maxima totala apare in centru modelului in valoare de 5.7x10-8m fiind cu un ordin de magnitudine inferior analizei de la primul pas (+100°C), in zona concava, figura 3.
fig3.1fig3.2

Fig.3 Deformatia totala, tendinta concava

sus


Rezultate 2014


Un aliaj RuAl 50/50 a fost procesat si supus oxidarii intr-un cuptor cu camera electrica, in aer, la 1100oC, pentru 10h, in prima instanta.

Micrografiile SEM au evidentiat prezenta stratului de oxid (Thermally Grown Oxide TGO), cu morfologie aciculara, specifica Al2O3. Aceasta morfologie este prezenta pe toata suprafata probei dar in mod diferit, avand marimi diferite: exista zone unde structura aciculara este foarte bine definita si zone unde germinarea este incipienta. Acest lucru ar putea fi rezultatul fie al exfolierii stratului fie al orientarii cristalografice diferite a graunitilor.

Examinarea TEM in sectiune transversala a aliajului oxidat a evidentiat faptul ca, in urma oxidarii, a rezultat un strat de Al2O3 dens, uniform si aderent la substratul de RuAl. Stratul de oxid masoara in jur de 2m.

In etapa urmatoare, aliajul a fost supus oxidarii pentru 100h, in aceleasi conditii. Aliajul a fost analizat SEM din punct de vedere microstructural si al compozitiei chimice, in vedere plana si sectiune transversala. Proba a fost slefuita in prealabil pentru a simplifica mecanismul de oxidare evitand astfel tensiunile neplanare si difuzia elementelor generate de eventualele crapaturi produse in urma polizarii.

Rezultatele au indicat, ca si in cazul oxidarii pentru 10h, absenta stratului delta-Ru raportat in toata literatura de specialitate pana in prezent si care reprezinta marea provocare a oxidarii acestui tip de aliaj.

Din rezultatele obtinute pana in momentul de fata, se poate trage o concluzie foarte importanta: s-a reusit obtinerea stratului Thermally Grown Oxide dens si uniform si absenta stratului delta-Ru, la timpi de oxidare de 10h si 100h. Acest tip de rezultat reprezinta o noutate, nu a fost raportat pana acum in literatura de specialitate.
micrografie

Micrografie TEM in sectiune transversala a aliajului RuAl oxidat 10h la 1100oC care indica stratul de alumina dens, uniform si aderent la substrat


sus

Rezultate inainte de 2014

Straturile de legatura joaca un rol crucial in performanta sistemelor de bariere termice de acoperire. Studiul propus se concentreaza pe identificare de noi materiale folosite ca straturi de legatura in aceste sisteme complexe.

Proiectul va incepe cu elaborarea aliajele de RuAl si Ru-Al-Ni. Studii sistematice vor fi efectuate pe aceste materiale pentru a determina comportamentul la oxidare al acestor materiale. Oxidare izoterma va fi efectuata la 1100°C si 1200°C pentru diferite perioade de timp (0.1h-500h).

Pasul urmator va consta in investigarea structurala a acestor materiale cu ajutorul metalografiei cantitative iar apoi caracterizarea microstructurala cu ajutorul microscopului cu baleiaj (SEM) si microscopului cu transmisie de electroni (TEM).

Oarecum in paralel cu investigatiile microstructurale se va modela structura de TBC, cu ajutorul unui software de elemente finite, ANSYS, pentru evaluare tensiunilor termice si a fluajului care se dezvolta intre acestre straturi.

Rezultatele acestei cercetari vor contribui la dezvoltarea de noi motoare cu reactie folosite in productia de energie si sisteme de propulsie cu beneficii economice, de mediu si sociale importante. In ceea ce priveste noile materiale izolatoare pentru aplicatii din domeniul criogenic, Institutul National de Cercetare Dezvoltare pentru Tehnologii Criogenice si Izotopice Rm. Valcea este direct interesat in limitarea pierderilor de frig in Instalatia Pilot Experimental pentru Separarea Tritiului si Deuteriului .

In situatia in care se va demonstra ca Ru este mai eficient decat Pt in contextul de mai sus, beneficiul economic va fi de necontestat.


sus