Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Hành Vi của Hợp Kim TA6V ở Nhiệt Độ Cao trong Điều Kiện Plasma Không Khí: Phần 1—Ôxi Hóa
Tóm tắt
Để giảm thiểu mảnh vụn trong quỹ đạo thấp của Trái Đất và tránh va chạm nghiêm trọng trên Trái Đất sau khi trở về khí quyển vào cuối tuổi thọ, nhiệm vụ tàu vũ trụ phải tính đến ảnh hưởng của quá trình trở về khí quyển đối với khả năng sống sót của tàu vũ trụ. Trong bối cảnh đó, quá trình ôxi hóa dưới điều kiện plasma không khí đã được nghiên cứu trên các hợp kim kim loại như TA6V nhằm thu được các định luật động học ôxi hóa ở nhiệt độ cao và trong khoảng thời gian ngắn (vài phút). Kết quả thực nghiệm về ôxi hóa hợp kim TA6V ở nhiệt độ cao và áp suất thấp trong điều kiện plasma không khí cùng với việc đặc trưng vi cấu trúc sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích tia X (XRD) sẽ được trình bày. Đối với thời gian giữ ôxi hóa không đổi là 300 giây cho hai áp suất không khí tổng thể (300 và 2000 Pa) trong khoảng nhiệt độ từ 1300 đến 1900 K, sự biến đổi khối lượng theo nhiệt độ nghịch đảo tuân theo định luật Arrhenius cho thấy năng lượng kích hoạt đồng nhất khoảng 62–64 kJ/mol, cho thấy áp suất có ảnh hưởng thấp. Tiếp theo, các định luật động học đã được thu được cho nhiệt độ không đổi từ 1830 đến 1840 K cho ba áp suất (300, 2000 và 5000 Pa) trong khoảng thời gian ngắn từ 50 đến 470 giây. Quá trình ôxi hóa hợp kim TA6V bởi oxy nguyên tử dẫn đến sự tách lớp của các lớp oxit ngay cả trong khoảng thời gian ngắn, do đó, mảnh vụn không gian khi trở về khí quyển sẽ mất rất ít khối lượng và mảnh vụn sẽ chỉ đến Trái Đất khi bị hủy hoại một phần. Mất mát khối lượng đã được tính toán, và cuối cùng, điều này cho thấy nó chỉ đại diện cho 0.5‰ của khối lượng ban đầu của hợp kim TA6V.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
P. Omaly, M. Spel, DEBRISK, a tool for re-entry risk analysis. Proceedings of the 5th IAASS Conference ‘A Safer Space for a Safer World’, Versailles (Fr), 17–19 October 2011, ESA SP-699, 2012.
P. Omaly, C. Magnin Vella, S. Galera, DEBRISK, CNES tool for re-entry survivability prediction: validation and sensitivity analysis. Proceedings of the 6th IAASS Conference ‘Safety is not an option’, Montréal (Ca), 2013.
B. Champin, L. Graff, and M. Armand, Oxydation des alliages de titane au voisinage des temperatures d’utilisation dans les turbomoteurs, J. Less Commun. Met., 1980, 69, p 163–183
C. Coddet, A.M. Chaze, and G. Beranger, Measurements of the Adhesion of Thermal Oxide Films: Application to the Oxidation of Titanium, J. Mater. Sci., 1987, 22, p 2969–2974
H. Guleryuz and H. Cimenoglu, Oxidation of Ti-6Al-4V Alloy, J. Alloys Comp., 2009, 472, p 241–246
H.L. Du, P.K. Datta, D.B. Lewis, and J.S. Burnell-Gray, Air Oxidation Behaviour of Ti-6Al-4V Alloy Between 650 and 850°C, Corr. Sci., 1994, 36, p 631–642
S. Frangini, A. Mignone, and F. De Riccardis, Various Aspects of the Air Oxidation of a TA6V Alloy at Temperatures in the Range 600–700°C, J. Mater. Sci., 1994, 29, p 714–720
H. Garbacz and M. Lewandowska, Microstructural Changes During Oxidation of Titanium Alloys, Mater. Chem. Phys., 2003, 81, p 542–547
E. Dong, W. Yu, Q. Cai, L. Cheng, and J. Shi, High-Temperature Oxidation Kinetics and Behavior of Ti–6Al–4V Alloy, Oxid. Met., 2017, https://doi.org/10.1007/s11085-017-9770-0
A. Biswas and J. DuttaMajumdar, Surface Characterization and Mechanical Property Evaluation of Thermally Oxidized Ti-6Al-4V, Mater. Charact., 2009, 60, p 513–518
S. Kumar, T.S.N. Narayanan, and S. Raman, Thermal Oxidation of Ti6Al4V Alloy: Microstructural and Electrochemical Characterization, Mater. Chem. Phys., 2010, 119, p 337–346
M. Renaud and M. Rigaud, Etude spectrophotométrique des produits formés au cours de l’oxydation superficielle du titane et de l’alliage TA6V, J. Less Commun. Met., 1973, 32, p 371–378
D.S.R. Krishna, Y.L. Brama, and Y. Sun, Thick Rutile Layer on Titanium for Tribological Applications, Tribol. Int., 2007, 40, p 329–334
F. Borgioli, E. Galvanetto, F. Iozzelli, and G. Pradelli, Improvement of Wear Resistance of Ti-6Al-4V Alloy by Means of Thermal Oxidation, Mater. Lett., 2005, 59, p 2159–2162
G. Cassar, J.C. Avelar-Batista, S. Wilson, J. Banfield, A. Housden, A. Matthews, and A. Leyland, Surface Modification of Ti-6Al-4V Alloys using Triode Plasma Oxidation Treatments, Surf. Coat. Technol., 2012, 206, p 4553–4561
M. Rinner, J. Gerlach, and W. Ensinger, Formation of Titanium Oxide Films on Titanium and Ti-6Al-4V by O2 Plasma Immersion Ion Implantation, Surf. Coat. Technol., 2000, 132, p 111–116
A. Rajabi, A.R. Mashreghi, and S. Hasani, Non-isothermal Kinetic Analysis of Huge Temperature Oxidation of Ti-6Al-4V Alloy, J. Alloys Compds., 2020, 815, p 151948
Y. Prévereaud, J.L. Vérant, M. Balat-Pichelin, and J.M. Moschetta, Numerical and Experimental Study of the Thermal Degradation Process During the Atmospheric Re-Entry of a TiAl6V4 Tank, Acta Astron., 2016, 122, p 258–286
M. Balat-Pichelin, J.L. Sans, E. Bêche, V. Flaud, and J. Annaloro, Oxidation and Emissivity of Inconel 718 Alloy as Potential Space Debris During Its Atmospheric Entry, Mater. Charact., 2017, 127, p 379–390
L. Barka, M. Balat-Pichelin, J.L. Sans, and E. Bêche, Oxidation and Emissivity of Invar 36 Alloy in Air Plasma at High Temperatures, J. Alloys Compd., 2019, 772, p 1003–1016
M. Balat-Pichelin, L. Charpentier, F. Panerai, O. Chazot, B. Helber, and K. Nickel, Passive/Active Oxidation Transition for CMC Structural Materials Designed for the IXV Vehicle Re-Entry Phase, J. Eur. Ceram. Soc., 2015, 35(2), p 487–502
M. Balat-Pichelin and A. Vesel, Neutral Oxygen Atom Density in the MESOX Air Plasma Solar Furnace Facility, Chem. Phys., 2006, 327(1), p 112–118
M. Balat-Pichelin, J.F. Robert, and J.L. Sans, Emissivity Measurements on Carbon-Carbon Composites at High Temperature under High Vacuum, Appl. Surf. Sci., 2006, 253(2), p 778–783
E. Brodu, M. Balat-Pichelin, J.L. Sans, M.D. Freeman, and J.C. Kasper, Efficiency and Behavior of Textured High Emissivity Metallic Coatings at High Temperature, Mater. Des., 2015, 83, p 85–94
E. Brodu, M. Balat-Pichelin, Emissivity of Boron Nitride and Metals for the Solar Probe Plus Mission. J. Space. Rock. 53(6), 2016 (Special Issue on Materials in a Space Environment, 1119–1127).