A sliding friction and wear test for silicon nitride (Si,N4) was conducted using a ball-on-disk specimen configuration. The material used in this study was HIPed silicon nitride. The tests were carried out from room temperature to 1000$^{\circ}C$ using self-mated silicon nitride couples in laboratory air. The worn surfaces were observed by SEM and the debris particles from the worn surfaces were analyzed for oxidation by XPS. The normal load was found to have a more significant influence on the friction coefficient of the silicon nitride than an elevated temperature. The specific wear rate was found to decrease along with the sliding distance. The specific wear rate at 29.4 N and 1000$^{\circ}C$ was 292 times larger than that at room temperature. The main wear mechanism from room temperature to 750$^{\circ}C$ was caused by brittle fracture whereas from 750$^{\circ}C$ to 1000$^{\circ}C$ the wear mechanism was mainly influenced by the oxidation of silicon nitride due to the increased temperature. The oxidation of silicon nitride at a high temperature was a significant factor in the wear increase.
ZrB2 ceramic and ZrB2 ceramic composites with the addition of SiC, WC, and SiC/WC are successfully synthesized by a spark plasma sintering method. During high-temperature oxidation, SiC additive form a SiO2 amorphous outer scale layer and SiC-deplete ZrO2 scale layer, which decrease the oxidation rate. WC addition forms WO3 during the oxidation process to result in a ZrO2/WO3 liquid sintering layer, which is known to improve the anti-oxidation effect. The addition of SiC and WC to ZrB2 reduces the oxygen effective diffusivity by one-fifth of that of ZrB2. The addition of both SiC and WC shows the formation of a SiO2 outer dense glass layer and ZrO2/WO3 layer so that the anti-oxidation effect is improved three times as much as that of ZrB2. Therefore, SiC- and WC-added ZrB2 has a lower two-order oxygen effective diffusivity than ZrB2; it improves the anti-oxidation performance 3 times as much as that of ZrB2.
The effect of variation of pack activators, compositions, temperature and time on the thickness and structure of aluminide coatings formed on the TiAl alloy was studied in one-step packs and two-step packs containing aluminum for the purpose of improvement of oxidation resistance. The thickness of coating layer was increased with increasing $NH_4Cl$ content up to 3wt% and then it was saturated. Oxidation resistance of coating layers carried out at one step pack was superior to that of ones through of two step pack. The improvement of high temperature oxidation resistance was due to the formation of a protective $Al_2O_3$ surface layers and coating the alloys with $TiAl_3$ phase.
Bin Du;Haoxiang Li;Wei Zheng;Xuedong He;Tao Ma;Huaqiang Yin
Nuclear Engineering and Technology
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제55권1호
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pp.71-79
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2023
Air ingress incidents are major safety accidents in very-high-temperature reactors (VHTRs). Air containing a high volume fraction of oxygen may cause severe oxidation of core components at the VHTR, especially for the significantly thin alloy tube wall in the intermediate heat exchanger (IHE). The research objects of this study are Inconel 617 and Incoloy 800H, two candidate alloys for IHE in VHTR. The air ingress accident scenario is simulated with high-temperature air flow at 950 ℃. A continuous oxide scale was formed on the surfaces of both the alloys after the experiment. Because the oxide scale of Inconel 617 has a loose structure, whereas that of Incoloy 800H is denser, Inconel 617 exhibited significantly more severe internal oxidation than Incoloy 800H. Further, Inconel 617 showed a significant decrease in ultimate tensile strength and plasticity after aging for 200 h, whereas Incoloy 800H maintained its tensile properties satisfactorily. Through control experiment under vacuum, we preliminarily concluded that serious internal oxidation is the primary reason for the decline in the tensile properties of Inconel 617.
As well-known wrought stainless steel, sintered stainless steel (STS) has excellent high-temperature anti-corrosion even at high temperature of $800^{\circ}C$, and exhibits good corrosion resistance in air. However, when temperature increases above $900^{\circ}C$, the corrosion resistance of STS begins to deteriorate and dramatically decreases. In this study, the effects of phase and composition of STS on high-temperature corrosion resistances are investigated for STS 316L, STS 304 and STS 434L above $800^{\circ}C$. The morphology of the oxide layers are observed. The oxides phase and composition are identified using X-ray diffractometer and energy dispersive spectroscopy. The results demonstrate that the best corrosion resistance of STS could be improved to that of 434L. The poor corrosion resistance of the austenitic stainless steels is due to the fact that $NiFe_2O_4$ oxides forming poor adhesion between the matrix and oxide film increase the oxidation susceptibility of the material at high temperature.
Combustion chamber crevices in SI engines are identified as the largest contributors to the engine-out hydrocarbon emissions. The largest crevice is the piston ring-pack crevice. A numerical simulation method was developed, which would allow to predict and understand the oxidation process of piston crevice hydrocarbons. A computational mesh with a moving grid to represent the piston motion was built and a 4-step oxidation model involving seven species was used. The sixteen coefficients in the rate expressions of 4-step oxidation model are optimized based on the results from a study on the detailed chemical kinetic mechanism of oxidation in the engine combustion chamber. Propane was used as the fuel in order to eliminate oil layer absorption and the liquid fuel effect. Initial conditions of the burned gas temperature and in-cylinder pressure were obtained from the 2-zone cycle simulation model. And the simulation was carried out from the end of combustion to the exhaust valve opening for various engine speeds, loads, equivalence ratios and crevice volumes. The total hydrocarbon (THC) oxidation in the crevice during the expansion stroke was 54.9% at 1500 rpm and 0.4 bar (warmed-up condition). The oxidation rate increased at high loads, high swirl ratios, and near stoichiometric conditions. As the crevice volume increased, the amount of unburned HC left at EVO (Exhaust Valve Opening) increased slightly.
고농도 페놀폐수 전처리 습식산화공정의 반응온도, 초기 pH 및 균일촉매 ($CuSO_4$) 등이 후처리 호기성 생물학적 공정에 미치는 영향을 조사하였다. 습식산화에서의 높은 반응온도와 산성 초기조건이 후처리 생물학적 산화공정에서 높은 산화속도와 최종 COD 제거율을 유발하였다. 습식산화에서 균일촉매를 사용하면 전처리 습식산화반응은 낮은 반응온도에서도 높은 COD 제거속도를 보였으나, 후처리 생물학적 산화공정에서는 낮은 최종 COD 제거율을 나타내었다.
Low carbon steels containing Si of up to $1.2\;wt\%$ were oxidized in air at 1373 K and 1523 K, i.e. below and above the eutectic temperature of FeO and $Fe_2SiO_4$. The influence of a impurity element, S on behavior of scale formation during oxidation was investigated by using $M\"{o}chssbauer$ spectroscopy and EDS. This allowed establishment of an interface oxidation model of Si-added steel depending on temperature and an impurity element. A compound of FeO and FeS was formed in the scale/matrix interface of low carbon steels containing S of up to $0.03\;wt\%$ oxidized above 1213 K of the eutectic temperature. This was flat formed between $Fe_2SiO_4$ nodules along the scale/matrix interface without selective oxidation. It is due to low viscosity and high wettability of the compound of FeO and FeS in liquid. Conventional metallographic examinations revealed that roughness of the scale/matrix interface in Si-added steels became flat as the content of S increased. It was independent of oxidizing temperature and Si content. Effects of oxidizing temperature and an impurity element content on descaling characteristics in Si-added steels were evaluated by using a hydraulic descaling simulator. Good descaling characteristics was attributable to this flatness of the scale/matrix interface.
Plasma nitrocarburising and post oxidation were performed on SM45C steel using a plasma nitriding unit. Nitrocarburising was carried out with various methane gas compositions with 4 torr gas pressure at $570^{\circ}C$ for 3 hours and post oxidation was carried out with 100% oxygen gas atmosphere with 4 torr at different temperatures for various times. It was found that the compound layer produced by plasma nitrocarburising consisted of predominantly ${\varepsilon}-Fe_{2-3}(N,C)$ and a small proportion of ${\gamma}-Fe_4(N,C)$. With increasing methane content in the gas mixture, ${\varepsilon}$ phase compound layer was favoured. In addition, when the methane content was further increased, cementite was observed in the compound layer. The very thin oxide layer on top of the compound layer was obtained by post oxidation. The formation of Oxide phase was initially started from the magnetite($Fe_3O_4$) and with increasing oxidation time, the oxide phase was increased. With increasing oxidation temperature, oxide phase was increased. However the oxide layer was split from the compound layer at high temperature. Corrosion resistance was slightly influenced by oxidation times and temperatures.
The local oxidation using an atomic force microscopy (AFM) is useful for Si-based fabrication of nanoscale structures and devices. SiC is a wide band-gap material that has advantages such as high-power, high-temperature and high-frequency in applications, and among several SiC polytypes, 4H-SiC is the most attractive polytype due to the high electron mobility. However, the AFM local oxidation of 4H-SiC for fabrication is still difficult, mainly due to the physical hardness and chemical inactivity of SiC. In this paper, we investigated the local oxidation of 4H-SiC surface using an AFM. We fabricated oxide patterns using a contact mode AFM with a Pt/Ir-coated Si tip (N-type, 0.01-0.025 ${\Omega}cm$) at room temperature, and the relative humidity ranged from 40 to 50 %. The height of the fabricated oxide pattern (1-3 nm) on SiC is similar to that of typically obtained on Si ($10^{15}^{\sim}10^{17}$$cm^{-3}$). We perform the 2-D simulation to further analyze the electric field between the tip and the surface. We demonstrated that a specific electric field (4 ${\times}$$10^7\;V/m$) and a doping concentration ($^{\sim}10^{17}$$cm^{-3}$) is sufficient to switch on/off the growth of the local oxide on SiC.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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