La preparazione di rivestimenti ceramici resistenti all'ossidazione ad alta temperatura su substrati di niobio e leghe di niobio è una tecnologia superficiale chiave per estendere la loro eccellente resistenza alle alte temperature per applicazioni in ambienti contenenti ossigeno. Le sfide principali in questo campo risiedono nel risolvere l’enorme stress termico causato dalla mancata corrispondenza dei coefficienti di dilatazione termica tra metalli e ceramiche, oltre a garantire la compatibilità chimica interfacciale per prevenire la rottura e la spallazione del rivestimento durante i cicli termici.
Per ottenere una protezione affidabile, è necessario adottare un sistema di gradiente progettato con precisione di "substrato di niobio - strato di transizione funzionale - strato superiore in ceramica". La tecnologia chiave prevede la formazione in situ di uno strato intermedio continuo di siliciuro (ad esempio NbSi₂) sul substrato attraverso processi come la siliconizzazione. Questo strato intermedio non solo forma un forte legame metallurgico con il substrato, ma ha anche un coefficiente di dilatazione termica intermedio tra i due materiali, alleviando efficacemente lo stress termico e agendo come barriera alla diffusione per inibire la penetrazione dell'ossigeno. Sopra questo strato intermedio ottimizzato, come barriera finale, vengono depositate ceramiche funzionali con bassa diffusività di ossigeno ed eccellente stabilità termica (come la mullite). Questo sistema completo di protezione sinergica ha consentito con successo l’utilizzo di componenti in lega di niobio in campi all’avanguardia soggetti a temperature estremamente elevate e shock termici, compresi gli ugelli dei motori a razzo e le pale avanzate delle turbine a gas.
Di seguito è riportato lo schema di preparazione del campione per questa applicazione. La sfida principale risiede nella lucidatura dei rivestimenti ceramici soggetti a fessurazioni e spallazioni:
1️⃣ Sgrossatura: carta vetrata al carburo di silicio P2500 con cera a bassa temperatura applicata sulla superficie;
2️⃣ Levigatura fine: carta vetrata al carburo di silicio P4000 con cera a bassa temperatura applicata sulla superficie;
3️⃣ Lucidatura grossolana: Panno lucidante ET-JP Ossido di alluminio 3μm;
4️⃣ Lucidatura fine: panno per lucidatura ZN-JP 50nm silice.
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