CC BY
40
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 11 (42) ■ Часть 2 ■ Декабрь
количестве 20% и 40% способствовало образованию более однородной структуры пор и сокращению количества разрывов по их периметру.
Предложенный способ производства булочных изделий позволяет интенсифицировать процесс брожения теста, получить продукт с высокими органолептическими и физико-химическими показателями качества за счет сниженного содержания дрожжей, повышенного содержания молочнокислых бактерий, микробиологической стойкости, а также придать готовым изделиям профилактическую направленность.
Литература
1. Белокурова Е.В., Дерканосова А.А. Пищевые сухие композитные смеси в производстве мучных кулинарных и хлебобулочных изделий функционального назначения. // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2013. № 2 (56). С. 119-124.
2. Здобнов А.И., Цыганенко В.А.: Сборник рецептур блюд и кулинарных изделий: Для предприятий общественного питания. М.: ИКТЦ «Лада», 2011, 211 с.
References
1. Belokurova E.V., Derkanosova A.A. Pishhevye suhie kompozitnye smesi v proizvodstve muchnyh kulinarnyh i hlebobulochnyh izdelij funkcional'nogo naznachenija. // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tehnologij. 2013. № 2 (56). S. 119-124.
2. Zdobnov A.I., Cyganenko V.A.: Sbornik receptur bljud i kulinarnyh izdelij: Dlja predprijatij obshhestvennogo pitanija. M.: IKTC «Lada», 2011, 211 s.
DOI: 10.18454/IRJ.2015.42.139 Васильев Е.В.
Младший научный сотрудник, Тольяттинский государственный университет ГАЗОНАСЫЩЕНИЕ СПЛАВОВ ХРОМА ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Аннотация
В статье рассмотрена проблема газонасыщения сплавов хрома при высокотемпературной эксплуатации. Установлено, что азот является главным примесным элементом, повышенное содержание которого приводит к резкому охрупчиванию хрома. Предложены различные пути повышения низкотемпературной пластичности сплавов хрома и снижения скорости газонасыщения. Сделан вывод о необходимости применения специальных защитных покрытий, способных оказать значительный барьерный эффект против поглощения атмосферных газов.
Ключевые слова: жаростойкость; покрытие; сплав хрома; газонасыщение.
Vasilev E.V.
Junior Reseacher, Togliatty State University GASING OF CHROMIUM ALLOYS DURING HIGH-TEMPERATURE USE
Abstract
The article considers problem of chromium alloys gasing during high-temperature use and some ways of solving this problem are proposed. It is found that nitrogen is the main impurity element, increased content of which leads to a drastic embrittlement of the chromium. Variety of ways for improving the low-temperature ductility of chromium alloys and reducing the rate of gas saturation are offered. The conclusion about the need of use the special protective coatings that can have a significant barrier effect against absorption of atmospheric gases is made.
Keywords: heat-resistance; coating; chromium alloy; gas adsorption.
Максимальные рабочие температуры традиционных жаропрочных никелевых сплавов для лопаток газотурбинных двигателей не превышают 1000-1100 С [1]. При дальнейшем повышении рабочих температур до 1100-1200°С наряду с никелевыми сплавами могли бы использоваться жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе хрома [2,3], преимуществами которых являются: более низкая стоимость, малая плотность, высокая жаропрочность, радиационная стойкость. Длительное время применению хрома в качестве конструкционного материала препятствовала его высокая склонность к хрупкому разрушению. Проведенные различными группами исследования позволили во многом выявить основные механизмы хрупкости и разработать эффективные металлургические приемы и параметры легирования, позволяющие получать пластичные конструкционные сплавы хрома.
Практическое решение данной проблемы позволило перейти к использованию его высокой жаропрочности, что в сочетании с малой плотностью может повысить эффективность работы, например, газотурбинных двигателей.
Однако высокотемпературному использованию пластичных сплавов хрома в немалой степени препятствует их относительно невысокая жаростойкость, что приводит к интенсивному газонасыщению сплавов хрома и резкому повышению температуры перехода в хрупкое состояние.
Согласно ряду исследований низкотемпературная пластичность хрома в главной мере определяется содержанием в нем азота [4], причем массовое его количество, составляющее более 3 10-3%, приводит к резкому охрупчиванию нелегированного хрома и повышению температуры хрупкого перехода на сотни градусов. В связи с этим проблемы обеспечения жаростойкости сплавов хрома прежде всего связаны с исключением повышения в них предельной концентрации азота, как на стадии изготовления, так и при эксплуатации. Учитывая, что растворимость азота в хроме возрастает с ростом температуры и давления азота:
lgC = ‘/2 lg P(N2) + 0,1 - 1410/T, (1)
где P(N2) - давление азота, T - температура;
а также, что зависимости упругости диссоциации нитридов хрома имеют вид:
19
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 11 (42) ■ Часть 2 ■ Декабрь
lgP(N2) = -11680/T +5,79 для Cr - Cr2N, (2)
lgP(N2) = -10620/T +8,03 для Cr - CrN. (3)
можно сделать вывод о возможности удаления азота из хрома при температурах 1000-1200°С в вакууме не ниже 10-5...10-6 торр. Естественно, что выдержка хрома в практически любой реальной эксплуатационной среде приводит к глубокому газонасыщению и, как следствие, к понижению эксплуатационных свойств. Последние выражения также указывают на необходимость проведения всех технологических операций переработки хрома в контролируемых средах (вакуум, аргон и др.) с парциальным давлением азота по крайней мере не превышающим для данной температуры своего критического значения, определяющего начало газонасыщения. Учитывая значение коэффициента диффузии азота в хроме при 1100-1300°С:
-25600
D = 1,3 10-3 (4)
определяем, что уже при времени т=600 с, T=1200°C, глубина газонасыщенного слоя составит не менее 8000 мкм. Химическая полировка поверхности хрома на глубину порядка 100 мкм, позволяющая удалить дефектный слой, приводит к понижению температуры хрупкого перехода на 300-500°С. Столь существенное влияние газонасыщения на основные свойства хрома практически исключает возможность его высокотемпературной эксплуатации даже при кратковременных режимах работы.
Рассмотрим теперь параметры физико-химического высокотемпературного взаимодействия хрома с кислородом. Зависимость предела растворимости кислорода в хроме от температуры имеет вид (для 1110-1500°С):
lg Cmax = 3,09-7900/T, (5)
Учитывая значения изменения стандартного изобарно-изотермического потенциала определяются по реакциям (1):
2/3 Cr + / O2 О 1/3 Cr2O3
AG,°= - 373422 + 86,6/Т (6)
и / О2 -О [O]Cr
AG,°= - 221961,2 + 65,77Т (7)
имеем, что переход кислорода из пленки Cr2O3 при высоких температурах (более 1000°С) невозможен. Однако, по другим данным отмечается возможность образования газообразного CrO3 из Cr2O3 при температурах выше 1000°С. Механизм взаимодействия кислорода и хрома существенно отличается от таковой реакции последнего с азотом, что связано со значительно большей термодинамической устойчивостью оксида Cr2O3 по сравнению с CrN и Cr2N. В связи с этим, согласно [6] высокотемпературное окисление хрома происходит путем одновременной миграции катионов и анионов через Cr2O3 с образованием оксида внутри оксидного слоя. Последнее существенно замедляет глубину проникновения кислорода в хром за счет фазовых реакций, однако возникающие при этом в оксидной пленке сжимающие напряжения, приводят к ее разрушению, отслаиванию и увеличению глубины оксидного слоя. Оксидная пленка не препятствует диффузии азота через нее, что приводит к образованию при отжигах на воздухе под слоем оксида хрома его нитридов и глубокому газонасыщению.
Таким образом, вышеизложенные термодинамические данные указывают на невозможность предотвращения газонасыщения хрома кислородом и азотом без предварительной обработки его поверхности и специального легирования.
Разработанные малолегированные сплавы хрома, а также различные способы их рафинирования на металлургических переделах позволили значительно повысить пластичность материала за счет снижения его чувствительности к элементам внедрения. Однако, легирование не позволяет исключить интенсивного газонасыщения в реальных эксплуатационных средах.
Рассмотрим теперь различные варианты поверхностной обработки сплавов хрома, позволяющие затормозить процессы газонасыщения. Практика химико-термической обработки поверхности показывает возможность применения двух принципиально различных методов: поверхностное легирование с созданием диффузионного слоя заданного фазового и химического состава, и осаждение на поверхности специального защитного покрытия. Из первой группы методов наиболее приемлемым вариантом может явиться рациональное диффузионное легирование хрома кислородом с целью создания высокоплотной пленки его оксида, если при этом будут соблюдены условия физико-химической и термомеханической совместимости оксида и основы, а также будет обеспечена высокая структурная стабильность оксида. Выше отмечалось, что высокоплотная керамика Cr2O3 может явиться эффективным барьером диффузии кислорода при температурах не выше ~1000°С, поскольку при более высоких температурах может образовываться газообразный оксид CrO3. Оксидная пленка на нелегированном хроме не препятствует диффузии азота, однако, оксид Cr2O3 на малолегированных сплавах вероятно позволит понизить степень газонасыщения, в связи с чем варианты использования данного метода поверхностной обработки не исключаются.
В качестве конденсационных защитных покрытий могут использоваться, например, ионно-плазменные покрытия системы Me-Cr-Al-Y, широко распространенные в настоящее время. Они хорошо зарекомендовали себя для повышения жаростойкости никелевых суперсплавов и, вероятно, могут не менее эффективно использоваться и на сплавах хрома.
Таким образом, в работе можно сделать следующие выводы:
• Массовое количество азота, составляющее более 3 10-3%, приводит к резкому охрупчиванию нелегированного хрома и повышению температуры хрупкого перехода на сотни градусов.
• Технологические операции переработки хрома в контролируемых средах необходимо проводить с парциальным давлением азота по крайней мере не превышающим для данной температуры своего критического значения, определяющего начало газонасыщения.
• Оксидная пленка не препятствует диффузии азота через нее, что приводит к образованию при отжигах на воздухе под слоем оксида хрома его нитридов и глубокому газонасыщению.
20
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 11 (42) ■ Часть 2 ■ Декабрь
• Легирование и рафинирование позволяет значительно повысить пластичность материала за счет снижения его чувствительности к элементам внедрения, что, однако, не позволяет исключить интенсивного газонасыщения в реальных эксплуатационных средах.
• Для предотвращения газонасыщения при высокотемпературной эксплуатации сплавов хрома необходимо нанесение специальных защитных покрытий, способных оказать значительный барьерный эффект на диффузионные потоки в системе подложка-покрытие-атмосфера.
Литература
1. Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей. - М.: МИСИС, 2001. 632 с.
2. Симс Ч., Хагель В. Жаропрочные сплавы. Нью-Йорк-Лондон-Сидней-Торонто, 1972. Пер. с англ. М., «Металлургия», 1976. 568 с., ил.
3. Гончаров В.С., Гончаров М.В., Васильев Е.В. Влияние технологических параметров нанесения иттрий содержащих покрытий на их структуру и свойства // Физика металлов и металловедение. 2014. Т. 115. № 2. С. 179-185.
4. Гончаров В.С., Васильев Е.В. Жаростойкие покрытия на основе иттрия // Вектор науки тольяттинского государственного университета. 2013. № 3 (25). С. 136-139.
5. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапов и др.; Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. -2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. 384 с., ил.
6. Самсонов Г.В. Физико-химические свойства окислов. Справочник. М.: Металлургия, 1978. 472 с.
References
1. Kablov E.N. Litye lopatki gazoturbinnyh dvigatelej. - M.: MISIS, 2001. 632 s.
2. Sims Ch., Hagel' V. Zharoprochnye splavy. N'ju-Jork-London-Sidnej-Toronto, 1972. Per. s angl. M., «Metallurgija», 1976. 568 s., il.
3. Goncharov V.S., Goncharov M.V., Vasil'ev E.V. Vlijanie tehnologicheskih parametrov nanesenija ittrij soderzhashhih pokrytij na ih strukturu i svojstva // Fizika metallov i metallovedenie. 2014. T. 115. № 2. S. 179-185.
4. Goncharov V.S., Vasil'ev E.V. Zharostojkie pokrytija na osnove ittrija // Vektor nauki tol'jattinskogo gosudarstvennogo universiteta. 2013. № 3 (25). S. 136-139.
5. Materialovedenie: Uchebnik dlja vysshih tehnicheskih uchebnyh zavedenij. B. N. Arzamasov, I. I. Sidorin, G. F. Kosolapov i dr.; Pod obshh. red. B. N. Arzamasova. -2-e izd., ispr. i dop. - M.: Mashinostroenie, 1986. 384 s., il.
6. Samsonov G.V. Fiziko-himicheskie svojstva okislov. Spravochnik. M.: Metallurgija, 1978. 472 s.
21
