Особливості фазо- та структуроутворення, шляхи підвищення функціональних властивостей детонаційних покриттів на основі nial та евтектики (nial+re)
Визначення області існування двофазних при кристалізації евтектичних сплавів для розробки оптимального складу порошків для газотермічного напилення покриттів. Вплив ренію на структуру, фазовий склад, механічні властивості сплавів системи Ni-Al-Re.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 23.08.2014 |
| Размер файла | 48,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Особливості фазо- та структуроутворення, шляхи підвищення функціональних властивостей детонаційних покриттів на основі NiAl та евтектики (NiAl+re)
Автореферат
на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Загальна характеристика роботи
Актуальність роботи. В останні роки значного прогресу досягнуто в області енергетичного машинобудування (промислових паросилових установках, нафтохімічному обладнанні, газових турбінах літаків та інших об'єктах, що працюють при підвищених температурах). Прогрес в цій галузі багато в чому визначається створенням нових конструкційних матеріалів та покриттів, застосування яких дозволяє поліпшувати найважливіші експлуатаційні параметри обладнання. Відомо, що сучасні жароміцні сплави працюють в умовах високих температур, напруг та агресивного середовища. Тому для забезпечення сталості механічних властивостей на протязі тривалого часу експлуатації, ці матеріали повинні характеризуватися високою стабільністю структури та фазового складу. Підвищення температури експлуатації жароміцних сплавів в умовах високотемпературної хімічної корозії робить неможливим застосування сучасних жароміцних сплавів без спеціальних заходів поверхневого захисту. Тому забезпечення стійкості проти впливу окисного середовища та високих температур є актуальною проблемою.
Інтерметалідні сплави та покриття на основі NiAl з молібденом, гафнієм, танталом, ренієм, платиною, залізом відносяться до найбільш досліджуваних систем.
Практичний інтерес до таких сплавів та покриттів обумовлений тим, що вони характеризуються високою температурою плавлення та модулем пружності, високою теплопровідністю, низькою густиною та надзвичайною стійкістю в окисному середовищі. Однак недоліком, що обмежує широке застосування інтерметаліду на основі NiAl в якості конструкційного матеріалу, стримується відсутністю пластичності при кімнатній температурі та низькою тріщиностійкістю.
З аналізу літератури можна зробити висновок, що ідеологію введення ренію до цих сплавів з точки зору як його кількості, так і його впливу на структуроутворення недостатньо обґрунтовано. Крім того, потребують перевірки деякі свідоцтва щодо здатності ренію підвищувати жаростійкість сплавів. Проте відомо, що одним з ефективних шляхів конструювання матеріалів із заданими властивостями є створення дво - та більш багатофазних структур.
У зв'язку з цим, представляє інтерес здійснити пошук евтектичної рівноваги в потрійній системі Ni-Al-Re, вибрати хімічний склад евтектичних сплавів, дослідити структуру цих сплавів та їх фізико-механічних властивості. Отримання евтектичної структури сплавів та виготовлення на їх основі порошків для газотермічного напилення детонаційних покриттів дасть можливість дослідити вплив ренію на службові характеристики матеріалу: підвищити низькотемпературну пластичність, структурну стабільність, в'язкість руйнування та жаростійкість покриттів. Встановлення кореляції фазо - та структуроутворення з фізико-механічними властивостями сплавів та покриттів системи NiAl та NiAl-Re має суттєвий науковий інтерес у галузі захисних покриттів.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження по темі дисертаційної роботи виконувалися у відділі інженерії та матеріалознавства високостійких поверхневих шарів Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України в рамках наукового проекту №8.12 - (0104U002918) «Розробка нових зносо-, корозійно - та жаростійких покриттів на основі легованих алюмінідів і складних оксидів для відновлення обладнання атомної енергетики, металургійної, нафтогазодобувної та нафтопереробної промисловості» програми «Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин» («Ресурс»).
Мета роботи дослідження впливу ренію на фазо - та структуроутворення, механічні та захисні властивості сплавів потрійної системи Ni-Al-Re, встановлення його оптимальної концентрації і розробка нових евтектичних сплавів як основи багатокомпонентних детонаційних покриттів з поліпшеними фізико-механічними властивостями.
В дисертаційній роботі вирішені такі завдання:
1. Визначені області існування двофазних при кристалізації евтектичних (-NiAl+-Re) сплавів для розробки оптимального складу порошків для газотермічного напилення покриттів.
2. Визначено вплив ренію на структуру, фазовий склад та механічні властивості сплавів потрійної системи Ni-Al-Re.
3. Досліджено склад, структуру та фізико-механічні характеристики NiAl та NiAl-Re детонаційних покриттів з сплавів потрійної системи Ni-Al-Re та інтерметаліду NiAl.
4. Досліджено жаростійкість NiAl та NiAl-Re покриттів.
Наукова новизна отриманих результатів.
Вперше на основі комплексного дослідження фазових рівноваг, особливостей структуроутворення та дослідження фізико-механічних властивостей сплавів потрійної системи Ni-Al-Re розроблені жаростійкі детонаційні покриття на основі евтектичних (NiAl+Re) сплавів.
В потрійній системі Ni-Al-Re визначено область двофазних при кристалізації евтектичних (NiAl+Re) сплавів та встановлено параметри евтектичної рівноваги для еквіатомного перетину.
Встановлено, що жароміцність евтектичних (NiAl+Re) сплавів потрійної системи Ni-Al-Re в інтервалі температур 700-1100 оС у 2 рази перевищує жароміцність однофазного інтерметаліду NiAl, це зумовлено наявністю евтектики в потрійній системі Ni-Al-Re, яка відрізняється підвищеною термічною стабільністю.
Показано, що при високотемпературному окисненні на повітрі детонаційних покриттів на основі однофазного інтерметаліду NiAl та евтектики (NiAl+Re) в інтервалі температур 800-1100 оС формується захисна з оксидного шару окалина. На покритті з однофазного інтерметаліду NiAl утворюється моношар Al2O3 з включенням шпінелі. На покритті з евтектичного (NiAl+Re) сплаву формується захисна двошарова окалина, в якій зовнішній шар - шпінель, внутрішній - оксид алюмінію.
Встановлена можливість використання двофазних евтектичних (NiAl+Re) сплавів потрійної системи Ni-Al-Re як основи захисних детонаційних покриттів з підвищеною жаростійкістю та жароміцністю.
Практичне значення отриманих результатів. Розроблені детонаційні покриття на основі однофазного інтерметаліду NiAl та евтектики (-NiAl+-Re), які складають основу багатокомпонентних жаростійких покриттів. На Київському заводі ЦА №410 були проведені атестаційні випробування жаростійких детонаційних покриттів на основі евтектики (NiA+Re). Випробування показали, що покриття має підвищену адгезійну міцність з основою на яку нанесено, володіють задовільною пластичністю, високою твердістю і характеристиками міцності при підвищених температурах. Детонаційне покриття на основі евтектики (NiA+Re) підвищує ресурс роботи порівняно зі стандартним покриттям ПН70Ю30.
Особистий внесок здобувача: приймав участь в формулюванні завдань досліджень і в розробці способів їх розв'язання, отриманні евтектичних сплавів потрійної системи Ni-Al-Re та вихідних порошків з цих сплавів, визначенні характеристик структури (фазовий аналіз, мікроструктури), дослідженні фізико-механічні властивості одержаних сплавів та детонаційних покриттів з них.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на 4 міжнародних наукових конференціях: ІІ Міжнародній конференції «Materials and Coatings for Extreme Performances: Investigations, Applications, Ecologically Safe Technologies for Their Productions and Utilization», Кацівелі, Крим, 16-22, вересня, 2002; VI Міжнародній науковій конференції «EUTECTICA-VI», Запоріжжя 23-26 вересня, 2003; IV International Young Scientists Conference «Problems of Optics & High Technology Material Science SPO 2003, Kyiv, Ukraine, October 23-26, 2003, V International Young Scientists Conference «Problems of Optics & High Technology Material Science SPO 2004, Kyiv, Ukraine, October 28-31, 2004.
Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 5 наукових статей в фахових журналах та тези доповідей в матеріалах конференцій.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти глав, висновків, списку використаних джерел, що нараховує 124 найменування, додатків. Дисертацію викладено на 142 сторінках, а також 57 рисунків і 22 таблиці.
Основний зміст роботи
реній кристалізація евтектичний напилення
У вступі обґрунтована актуальність і важливість обраної теми дисертаційної роботи та отриманих результатів, сформульовано мету і задачі дослідження та наведена стисла анотація роботи.
У першому розділі подано огляд літературних даних, що стосується інтерметалідів на основі системи Ni-Al з різними елементами, зокрема, молібденом, гафнієм, танталом, ренієм, платиною, які виплавлені в об'ємно закристалізованому стані та за допомогою направленої кристалізації. Розглянуто структуру та фазовий склад евтектичних сплавів, особливості процесу евтектичної кристалізації та особливості рідкого стану евтектичних систем. Зроблено аналіз даних, що стосуються механічних властивостей евтектичних сплавів, покриттів на основі NiAl, особливу увагу приділено деформаційній поведінці евтектичних сплавів з різними легуючими елементами. Показано, що для детонаційних покриттів на основі системи NiAl, застосовували порошки, що отримані плакуванням алюмінієвого порошку нікелю з карбонільної газової фази у віброкип'ячому шарі. Співвідношення нікелю та алюмінію 80:20. Були зафіксовані наступні фазові складові: NiAl, Ni, твердий розчин алюмінію в нікелі, твердий розчин нікелю в алюмінії, Al+NiAl, скоріше за все твердий розчин Ni в NiAl змінного складу (від NiAl до Ni3Al), Al2O3. Таким чином детонаційні покриття мали неоднорідний склад, що є негативним фактором для формування суцільного захисного шару Al2O3 на поверхні покриття при високотемпературному окисненні.
Показано, що до теперішнього часу структурні і фазові рівноваги, що відбуваються в евтектичних сплавах на основі інтерметаліду NiAl, вивчено недостатньо. Недостатньо даних, що стосуються складів сплавів з легуючими елементами, при яких утворюється двофазна евтектична структура. Також відсутні дані про механічні властивості, при яких сплави та покриття на основі системи Ni-Al-Re мають оптимальні фізико-механічні властивості при підвищених температурах. З аналізу випливає, що перспективним для розробки нових конструкційних матеріалів та покриттів є потрійна система Ni-Al-Re. Для того, щоб визначити перспективність сплавів цієї системи як базових для створення нових матеріалів, необхідно дослідити температурно-концентраційні умови їх існування, тип структури, фазовий склад та основні механічні властивості. На основі проведеного літературного огляду і його аналізу сформульовані задачі роботи.
У другому розділі наведені методи одержання зразків, умови отримання порошків та нанесення покриттів. Сплави з різним вмістом ренію були отримані методом електродугової виплавки сплавів, що дало можливість сформувати евтектичні структури, а також дослідити еволюцію структури. Представлено склади досліджених сплавів на основі потрійної системи Ni-Al-Re. Порошки виготовлялись механічним подрібненням для подальшого детонаційного напилення та одержання покриття з них. Подрібнені порошки класифікували до розміру -63+20 мкм на повітряно-відцентрованому класифікаторі УПВК-ПМ. Представлено схему установки детонаційного напилення, вказані технологічні параметри детонаційного напилення. Наведено структурні методи аналізу дослідження фізико-механічних властивостей сплавів системи Ni-Al-Re, а саме в умовах стиску, згину, випробування на тріщиностійкість, гарячу твердість. Представлено сучасні стандартні методи випробувань механічних властивостей, а також методи визначення мікротвердості та характеристики пластичності в умовах локального навантаження та безперервного вдавлення жорстким індентором.
У третьому розділі проведено систематичне дослідження еволюції структури, фазових рівноваг та механічних властивостей інтерметаліду NiAl та сплавів потрійної системи Ni-Al-Re.
Для дослідження обмежились сплавами системи Ni-Al-Re, склад яких знаходиться в інтервалі концентрацій існування NiAl, відповідно від 43 до 57 ат.%. Склад за ренієм визначили експериментально від 0,2 до 14 ат.%. Визначили, що температура плавлення Re складає (3180 оС), що значно перевищує Тпл інтерметаліду NiAl 1676 оС.
На першому етапі досліджувались сплави, склади яких розташовані на стехіометричному перерізі NiAl-Re потрійної системи Ni-Al-Re у межах від 0,2 до 3 ат.% Re. Було виплавлено 9 сплавів таблиця 1. Потім з цих сплавів виготовляли зразки для термічного аналізу, рентгеноструктурного та металографічного досліджень.
Таблиця 1. Хімічний склад досліджуваних сплавів потрійної системи Ni-Al-Re
|
№ сплаву |
Хімічний склад, ат.% |
|||
|
Ni |
Al |
Re |
||
|
1 |
50 |
50 |
||
|
2 |
49.9 |
49.9 |
0.2 |
|
|
3 |
49 |
49 |
2 |
|
|
4 |
48.75 |
48.75 |
2.5 |
|
|
5 |
48.5 |
48.5 |
3 |
|
|
6 |
50.5 |
46.5 |
3 |
|
|
7 |
46.5 |
50.5 |
3 |
|
|
8 |
44.5 |
52.5 |
3 |
|
|
9 |
42.5 |
54.5 |
3 |
За результатами проведених досліджень, а саме металографічного, дифференціального термічного, локального рентгеноспектрального і рентгеноструктурного аналізів було побудовано політермічний переріз NiAl-Re потрійної діаграми плавкості системи Ni-Al-Re, який показано на рис. 1. Встановлено, що цей переріз є квазібінарним, евтектика якого плавиться при постійній температурі.
Детальне вивчення мікроструктур сплавів при різному співвідношенні Re і Al дозволило визначити області існування двофазних рівноваг між твердим розчином на основі інтерметаліду NiAl (-фаза) та Re (-фаза), а також визначити проекцію лінії подвійної моноваріантної евтектики (-NiAl+-Re) на концентраційному трикутнику потрійної системи Ni-Al-Re (рис. 2). На рис. 3 представлені температури початку плавлення Тп, подвійної моноваріантної евтектики NiAl-Re в залежності від співвідношення Ni/Al, побудовані за даними дифференціального термічного аналізу. Визначено, що евтектичний сплав з вмістом (ат.%) 2,5Re, 48,75Ni 48,75Al плавиться при температурі 16650С, яка є самою високою з усіх температур плавлення моноваріантних евтектичних (-NiAl+-Re) сплавів потрійної системи Ni-Al-Re.
По обидві сторони від цього складу вздовж лінії евтектичної рівноваги знижується температура плавлення евтектики та збільшується інтервал її плавлення. Таким чином, у нікель-алюміневому куті потрійної діаграми Ni-Al-Re існує подвійна моноваріантна евтектика, утворена алюмінідом нікелю (-фаза) та -ренієм. Температура плавлення моноваріантної евтектики NiAl-Re має максимум. Відповідно максимуму температури плавлення моноваріантної подвійної евтектики відповідає нульовий інтервал її плавлення, а склади трьох фаз, що відповідають цій рівновазі, розміщені на одній прямій - коноді. Експериментально визначено, що конода, яка проходить крізь точку е0, відповідає трифазній рівновазі розплав L-Re+-NiAl, яка розміщена на еквіатомному перерізі NiAl-Re і у подвійній системі NiAl проходить через склад Ni50Al50, який у свою чергу має максимум температури плавлення.
Металографічні дослідження сплавів цього перерізу показали, що із збільшенням кількості Re структура сплавів змінюється в послідовності: твердий розчин, доевтектична, евтектична і заевтектична. Послідовність зміни мікроструктури для сплавів перерізу NiAl-Re наведено на (рис 4).
Структура доевтектичних сплавів являє собою поєднання первинних дендритів матриці NiAl та евтектики (-NiAl+-Re), причому при збільшенні концентрації ренію кількість евтектики збільшується, і при вмісті Re 2 ат.% з'являються первинні кристали тугоплавкої - фази ренію. Ведучою фазою в евтектиці виступає -фаза з більш складною кристалохімічною природою, яка утворює скелет евтектичної колонії.
Евтектична структура сплавів належить до класу аномальних. Детальне дослідження морфології евтектичної колонії за допомогою РЕМ дозволило встановити, що вона має пластинчату структуру.
Дані рентгеноструктурного дослідження свідчать, що сплави NiAl-Re мають двофазний склад. Ідентифіковані піки на дифрактограмі належить до NiAl та Re фаз.
Найважливішим фактом є те, що евтектика у всіх сплавах цього перерізу плавиться при постійній температурі, яка дорівнює 1665 оС. Цей переріз є квазібінарним. Евтектика плавиться при постійній температурі, яка є максимальною серед усіх температур плавлення моноваріантної евтектики NiAl-Re у потрійній системі Ni-Al-Re.
Об'ємна кристалізація евтектики NiAl-Re відбувається шляхом незалежного зародження і наступного росту базових ренієвих кристалів. Ріст цих кристалів здійснюється за рахунок дифузійного притоку до їх поверхонь атомів елемента впровадження та металу, який входить у склад базового кристалу. У подальшому шари розплаву, які прилягають до граней кристалу, збіднюються атомами, які складають його основу, внаслідок чого ріст самого кристалу утруднюється. Це збіднення досягає такого ступеню, що на поверхні базової фази легко зароджуються і ростуть кристали матричної металевої фази, що, в свою чергу, ще більш ускладнює ріст кристалів ренієвої фази. Після досягнення ними деякого критичного розміру, який залежить від швидкості охолодження і концентрації розплаву, на вершинах та ребрах таких кристалів з'являються тонші у порівнянні з основними розмірами відгалуження, які ростуть крізь збіднену зону. Ці відгалуження сумісно з металевою фазою, які навколо їх, ростуть у всі сторони, і утворюють особисто евтектичну колонію. Зростання таких колоній відбувається до стикання з сусідами, які утворилися з інших центрів кристалізації. Таким чином, у розвитку евтектичної колонії просліджується дві стадії: 1) утворення та ріст базових кристалів, 2) власно кооперативний ріст, який починається з появи відгалужень від вершин чи ребер базового кристалу.
Для оцінки фізико-механічних властивостей евтектичних (-NiAl+-Re) сплавів (мікротвердості, модуля пружності, характеристик пластичності) сплавів системи Ni-Al-Re, та інтерметаліду NiAl був застосований метод локального навантаження жорстким індентором, який передбачає побудову двокоординатної діаграми «навантаження-глибина занурення». За допомогою діаграми була знайдена повна робота деформації А, яка складається з пружної та пластичної компонентів (Ае+Ар). Модуль Юнга визначався співвідношенням:
, (1)
де HVh - твердість, яка визначається за величиною h глибини занурення залишкового пластичного відбитку індентора, he,hp відповідно; глибина пружного та пластичного занурення індентора, N - параметр, значення якого змінюється від 0,74 для повністю пластичної деформації до 1,0 чисто пружного індентора. Для більшості металів можна прийняти N=0,76.
Таблиця 2. Структура та фізико-механічні властивості сплавів при локальному навантаженні жорстким індентором
|
Литий сплав |
Структурна складова |
HV, ГПа |
HVh, ГПа |
(CFL) H |
E, ГПа |
D |
Н |
|
|
1 |
тверд. розчин |
3,2 |
2,0 |
250 |
138 |
0,71 |
0,70 |
|
|
2 |
евтект. |
3,2 |
2,0 |
300 |
145 |
0,79 |
0,80 |
|
|
4 |
евтект. |
4,3 |
3,1 |
350 |
155 |
0,86 |
0,85 |
|
|
5 |
евтект. |
4,2 |
3,1 |
350 |
152 |
0,83 |
0,81 |
|
|
Re |
тверд. розчин |
6,3 |
2,8 |
466 |
0,95 |
З таблиці 2 видно, що за умов збільшення вмісту ренію в сплавах росте значення мікротвердості та модуля пружності сплавів, але в той же час зберігається задовільне значення характеристики пластичності.
Дані про структуру, склад, фізико-механічні властивості сплавів на згин і стиск у вихідному стані наведено в таблиці 3. Вплив ренію на механічні властивості сплавів системи Ni-Al-Re може інтерпретуватись по-різному. Збільшення вмісту ренію в литому матеріалі робить його більш твердим і викликає ріст Е, тобто матеріал стає більш «жорстким» та спроможний мати більший опір зміні форми під навантаженням. Однак закон Гука справедливий тільки в областях пружних деформацій при відносно низьких напруженнях. В областях пластичних деформацій важливою характеристикою опору матеріалу малим пластичним деформаціям є границя текучості 0,2. Введення ренію викликає зростання і цієї характеристики. Крім цього, за умов збільшення вмісту Re до 2,5 ат.% збільшується відносна деформація (рис. 5), і це разом з К1с свідчить про підвищення в'язкості руйнування (таблиця 3). При випробуванні на стиск (рис. 5) встановили, що евтектичний сплав складу (ат.%) 48,75Ni 48,75Al 2,5Re в литому стані у порівнянні з однофазним інтерметалідом NiAl характеризується більш високою низькотемпературною пластичністю. Так, деформація до руйнування при випробуваннях на стиск евтектичного сплаву (NiAl+Re) складає 6,2%, а для інтерметаліду NiAl -1,5%.
Таблиця 3. Структура, основні фізико-механічні властивості на згин і стиск евтектичних сплавів (NiAl+Re) потрійної системи Ni-Al-Re
|
Сплав, ат.% |
Згин |
Стиск |
||||
Е,ГПа |
К1с,МПа м1/2 |
0,2, МПа |
р, МПа |
р, % |
||
|
1 |
131 |
3,8 |
860 |
912 |
1,5 |
|
|
2 |
143 |
370 |
491 |
2,5 |
||
|
4 |
148 |
4,36 |
810 |
1295 |
6,2 |
|
|
5 |
157 |
910 |
1162 |
3,9 |
Для якісної оцінки опору утворення тріщини був застосований метод визначення навантаження-параметр CFL, при якому навколо відбитку індентора з'являється тріщина. Встановлено, що значення параметру CFL зростає від 250 Н у однофазному сплаві, до 350 Н у евтектичному (NiAl+Re) сплаві потрійної системи Ni-Al-Re. Однак, надмірний вміст ренію (3 ат.%) в заевтектичному сплаві призводить до зниження в'язкості руйнування.
Аналіз мікроструктури сплавів після індентування дозволяє зробити висновок, що тріщина, яка зародилась гальмується на включенні ренію, тобто ренієва фаза, виконує роль «пасток» тріщин в матеріалі (рис. 6). Фрактографічні дослідження зразків після руйнування статичним згином дозволили зафіксувати суттєву різницю в характері руйнування сплаву на основі однофазного інтерметаліду NiAl та евтектичного (NiAl+Re) сплаву, який містить 2,5 ат.% ренію. Однофазному сплаву NiAl властиве крихке інтеркристалітне руйнування. Для евтектичного (NiAl+Re) сплаву характерно змішане руйнування з явною долею транскристалітного сколювання, завдяки більшій міцності міжфазних границь в евтектичних сплавах.
При випробуваннях на стиск при температурі 800 оС при збільшенні вмісту евтектики в сплавах, підвищується границя текучості 0,2, у порівнянні з інтерметалідом NiAl.
Проведені випробування гарячої твердості сплавів в інтервалі температур 700-1100 оС. Встановлено, що по всьому температурному інтервалі, при якому використовуються реальні деталі, твердість евтектичних сплавів перевищує твердість однофазного інтерметаліду NiAl (рис. 9).
В четвертому розділі проведено систематичне дослідження структури та фізико-механічних властивостей детонаційних покриттів на основі інтерметаліду NiAl та евтектичного сплаву (NiAl+Re). Напилення покриттів проводилось при однакових режимах з порошку фракції -63+20 мкм. В залежності від режимів та гранулометричного складу порошку, частинки можуть повністю розплавлятись, залишатися в твердому стані, або частково оплавлятися. На рис. 10 наведено мікрофотографії структур детонаційних покриттів на основі сплавів систем NiAl та Ni-Al-Re. В процесі детонаційного напилення покриттів формується пошарова структура. Наведена пошарова структура покриття, де спостерігається фаза на основі інтерметаліду NiAl світло-сірого кольору, більш темного кольору твердий розчин алюмінію в нікелі та твердий розчин нікелю в алюмінії, темна фаза - Al2O3. Показана пошарова структура детонаційного покриття з формуванням інтерметалідної фази NiAl та світлої ренієвої фази.
Загальним для обох покриттів є ламельно-шарувата мікроструктура, характерна для детонаційних покриттів, які напилюються за декілька проходів послідовними пострілами (рис. 10).
Рентгеноструктурний аналіз підтвердив наявність в покритті на основі інтерметаліду NiAl наступних фаз: NiAl, Ni3Al, та Al2O3 (рис. 11, а). В покритті з евтектичного (NiAl+Re) сплаву (рис. 11, б) виявлено дві фази: NiAl, Re та Al2O3.
За допомогою метода локального навантаження жорстким індентором було проведено дослідження механічних властивостей покриттів, отриманих з порошків NiAl та NiAl-Re (табл. 4).
З таблиці 4 видно, що найбільший модуль пружності Е має покриття, яке містить реній. Це покриття характеризується найбільшиою характеристикою пластичності A та долею пластичної деформації в загальній деформації. Як очікувалось з урахуванням результатів дослідження злитків, покриття з ренієм має більш ефективний опір утворенню тріщин. Це покриття має більший запас пластичності, завдяки чому пізніше наступає момент зародження тріщини.
Таблиця 4. Механічні властивості покриттів з сплавів систем Ni-Al та Ni-Al-Re
|
Матеріал |
HVh, ГПa |
E, ГПа |
AУ х 10-8 Дж |
Ap х 10-8 Дж |
A |
СFL Н |
|
|
NiAl-2,5Re (сплав) |
4,30 |
155 |
590 |
90 |
0,85 |
350 |
|
NiAl-2,5Re(покриття) |
5,20 |
180 |
560 |
115 |
0,80 |
150 |
|
NiAl(покриття) |
5,10 |
143 |
570 |
135 |
0,76 |
100 |
Випробування гарячої твердості покриттів в інтервалі температур 700-1100 оС, наведені в таблиці 5.
Таблиця 5. Твердість покриттів при підвищених температурах
|
Покриття |
Твердість, ГПа |
|||||
|
700 оС |
800 оС |
900 оС |
1000 оС |
1100 оС |
||
|
NiAl |
0,90 |
0,41 |
0,32 |
0,17 |
||
|
NiAl-2,5Re |
1,21 |
0,65 |
0,31 |
0,19 |
У п'ятому розділі наведені результати досліджень структури, фазового складу та жаростійких властивостей при підвищених температурах детонаційних покриттів на основі інтерметаліду NiAl та потрійної системи Ni-Al-Re.
Після окиснення при 800 оС на поверхні покриттів формується окалина, яка складається з NiO, NiAl2O4 и Al2O3. За допомогою фазового рентгеноструктурного аналізу (рис. 12) були ідентифіковані фази, які відносяться до шпінелі NiAl2O4, оксиду алюмінію Al2O3, та оксиду нікелю NiO Найбільш найвірогідніше утворення шпінелі в результаті взаємодії оксидів: Al2O3 +NiO>NiAl2O4 (Go800= 2011,20 кДж/моль).
При температурі 1000 оС після 8-10 циклів (один цикл 8 год) окиснення на поверхні обох покриттів сформувався шар товщиною 30-60 мкм з пошаровою структурою, який складається з перемінних світлих та темних ділянок. Як видно з рис. 13, структура окалини покриття з ренієм після окиснення при 1000 оС складається з трьох хвилястих шарів, які мають різний колір. Внутрішній візуально суцільний темний шар, який примикає к основі, представляє собою оксид Al2O3. Товщина цього шару складає 2-5 мкм. Вочевидь, компактні оксидні шари, які утворилися при 1000 оС, забезпечують автозахист покриття від подальшого окиснювання.
Будова окалини рис. 13, а, яка формується при тій же температурі на покритті, яке не містить реній, істотно відрізняється від розглянутого вище випадку. Основна різниця складається в тому, що шпінельний шар в окалині покриття з сплаву NiAl приблизно на порядок товстіший, а шар Al2O3 значно тонше. Як видно з мікрофотографії, товщина цього оксидного шару на деяких ділянках не перевищує одного мікрона, тому локальний спектральний аналіз не дозволив його точно зафіксувати. Однак на кривих розподілення елементів по товщині покриття в зоні цього шару зафіксовані піки максимального вмісту алюмінію та кисню при практичній відсутності нікелю. Таким чином, загальним для досліджених покриттів, які були окиснені при 1000 оС, є формування пошарової структури.
В окалині, яка утворилась на покритті з ренієм після окиснення при 1100 оС (рис. 14, а, б), прошарок NiO не виявлено, але його присутність у вигляді окремих світлих включень в зовнішньому шпінельному шарі все-таки фіксується. Підвищення температури здатна привести до того, що суцільний шар переходить у перервний. Товщина шару Al2O3 знаходиться приблизно в тому ж діапазоні, що і для температури 1000 оС, в той час як шпінельний шар в цьому випадку товстіший, вочевидь, за рахунок поглинання прошарків NiO. Зовнішній шпінельний шар виклинюється між нерівностями поверхні покриття та розширюється в нижньому шарі оксиду алюмінію, що веде до підвищення зчеплення між шарами. Структура покриття під окалиною складається з наступних фаз: NiAl, Ni3Al, NiAl2O4, Re, що підтверджується рентгенофазовим та локально-рентгеноспектральним аналізами.
Оцінено роль ренію в процесі формування окалини. Його присутність в поверхневому шарі вдалось зафіксувати тільки у вигляді дуже рідких включень у внутрішньому Al2O3 - шарі, як правило, на границі з металевою основою (рис. 14, б). Можна пояснити, що відсутність ренію в зовнішніх шарах окалини пов'язано з його випаровуванням у складі оксиду Re2O7. Відомо, що реній окиснюється в основному до Re2O7 (?G°800= 2774,62 кДж/моль). Цей вищий та найбільш стійкий оксид утворюється при обробці ренію киснем при температурі вище 150 оС. Відомо, що цей оксид дуже леткий та має температуру кипіння всього 362 оС. Утворенні в місцях існування включень ренію пори сприяють інтенсифікації дифузії нікелю на поверхню та утворенню зовнішніх шарів NiO та NiAl2O4.
На рис. 15 представлені залежності зміни відносної маси зразків з покриттями від кількості циклів окиснення. При всіх температурах кінетичний режим контролюється процесами оксидування, час якого зменшується по мірі збільшення температури. На цьому етапі процесом, який лімітує його тривалість та швидкість окиснення, є реакція взаємодії алюмінію та нікелю з киснем на фазовій границі метал - кисень, як на поверхні покриття. Швидкість окиснення гальмується, що пов'язано з утворенням шару окалини визначеної товщини.
Встановлено суттєве підвищення стійкості проти окиснення на повітрі та у кисні в інтервалі температур 800-1100 оС для покриттів з NiAl-Re сплавів в порівнянні з покриттями з алюмініда нікелю. Це обумовлюється впливом ренію на швидкість процесу утворення окалини в покритті та на прискоренні дифузії нікелю, що сприяє формуванню компактних оксидних шарів. В потрійному сплаві утворені нізші оксиди ренію взаємодіють з оксидом нікелю таким чином, що іони ренію займають катіонні вакансії підгратки NiO, оскільки, оксиду нікелю як р - напівпровіднику властиві катіонні вакансії. Це призводить до зменшення об'ємної концентрації вакансій в NiO, що зменшує швидкість дифузії нікелю назустріч кисню.
У цьому випадку швидкість окиснення лімітується швидкістю дифузії іонів металів та кисню крізь зростаючу окалину. Гальмування швидкості окиснення пов'язано з практично повним припиненням росту зовнішніх та середніх шарів за рахунок дифузії іонів алюмінію і нікелю крізь утворений шар окалини. Неоднаковий вихід алюмінію і нікелю на поверхню при різних температурах окиснення може привести до різних механізмів формування окалини.
Визначено, що структура захисної окалини, яка формується на NiAl покритті, представляє собою моношар Al2O3 з включеннями шпінелі NiOAl2O3. На покритті сплаву потрійної системи Ni-Al-Re формується захисна двошарова окалина: зовнішній шар - шпінель NiOAl2O3; внутрішній шар Al2O3.
Висновки
В результаті проведених досліджень в рамках дисертаційної роботи встановлено структурні особливості та фізико-механічні властивості сплавів, розроблені жаростійкі детонаційні покриття на основі стехіометричного інтерметаліду NiAl та евтектики (NiAl+Re).
1. В потрійній системі Ni-Al-Re встановлені температурно-концентраційні параметри моноваріантного евтектичного перетворення LNiAl+Re та визначенні межі області існування двофазних при кристалізації сплавів (NiAl+Re). Встановлено наявність квазібінарного перетину, визначено склад евтектичного сплаву (ат.%) 48,75Ni 48,75Al 2,5Re та температура плавлення (NiAl+Re) евтектики, яка складає 1665 оС.
2. Встановлено, що евтектичний сплав складу (ат.%) 48,75Ni 48,75Al 2,5Re характеризується більш високою низькотемпературною пластичністю в порівнянні з однофазним сплавом NiAl в литому стані. Так деформація до руйнування при випробуваннях на стиск евтектичного (NiAl+Re) сплаву складає 6,2%, а для інтерметаліду NiAl - 1,5%. Це обумовлюється тим, що в евтектичних сплавах змінюється механізм руйнування, а саме зростає доля транскристалітного сколу.
3. Встановлено, що жароміцність евтектичних (NiAl+Re) сплавів потрійної системи Ni-Al-Re в інтервалі температур 700-1100 оС у 2 рази перевищує цю характеристику у однофазного інтерметаліду NiAl, що зумовлено високою термічною стабільністю евтектичної структури.
4. Встановлено суттєве підвищення стійкості проти окиснення на повітрі в інтервалі температур 800-1100оС для покриттів з евтектичних (NiAl+Re) сплавів потрійної системи Ni-Al-Re в порівнянні з покриттями з однофазного інтерметаліду NiAl. Вирішальним фактором, який визначає характер окиснення цих покриттів, є співвідношення швидкостей формування в них оксидів алюмінію та нікелю. Структура захисного оксидного шару окалини, яка формується на покритті з однофазного інтерметаліду NiAl, являє собою моношар Al2O3 з включенням шпінелі. На покритті з евтектичного (NiAl+Re) сплаву формується захисна двошарова окалина, в якій зовнішній шар - шпінель, внутрішній - оксид алюмінію.
5. Встановлена можливість використання двофазних евтектичних сплавів системи Ni-Al-Re як основи для створення детонаційних покриттів з підвищеною жаростійкістю та жароміцністю для захисту нікелевих сплавів.
6. На Київському заводі цивільної авіації ЦА №410 були проведені атестаційні випробування жаростійких детонаційних покриттів на основі евтектики (NiA+Re). Випробування показали, що покриття має підвищену адгезійну міцність з основою на, яку нанесено, задовільну пластичність, високу твердість і характеристики міцності при підвищених температурах.
Список опублікованих праць за темою дисертації
1. Барабаш О.М., Барабаш М.Ю., Оликер В.Е. Влияние рения на формирование структуры эвтектических сплавов на основе NiA+Re // Порошковая металлургия. - 2003. - №3-4. - С. 84-89.
2. Барабаш М.Ю., Олікер В.Ю. Мікромеханічні випробування Ni-Al-Re сплавів методом індентування // Наукові вісті НТУУ «КПІ». - 2005. - №2. - С. 48-51.
3. Barabash M. Yu., Martynchuk E.L. Structure and mechanical properties of nickel aluminide-rhenium eutectic alloy // Functional materials. - 2005. - V. 12, 3. - Р. 512-516.
4. Барабаш М.Ю., Олікер В.Ю., Гридасова Т.Я., Гречишкін Є.Ф. Дослідження тріщиностійкісті детонаційних NiAl-Re покриттів // Наукові вісті НТУУ «КПІ». - 2005. - №4. - С. 56-59.
5. Олікер В.Ю., Барабаш М.Ю., Гридасова Т.Я., Гречишкін Є.Ф., Тимофєєва І.І. Поведінка детонаційних покриттів на основі інтерметаліду NiAl при термоциклічному окисненні // Наукові вісті НТУУ «КПІ». - 2005. - №6. - С. 56-63.
6. Barabash M. Yu., Oliker V.E. Rhenium content eutectic alloys based on aluminide nickel for airspace constructional details // ІІ Міжнародна конференція «Materials and Coatings for Extreme Performances: Investigations, Applications, Ecologically Safe Technologies for Their Productions and Utilization», Кацівелі, Крим, 16-22 вересня, 2002. - C. 368-369.
7. Barabash M. Yu., Martynchuk E.L. Structure and properties of nickel aluminide based alloys with rhenium // VI Міжнародна наукова конференція «EUTECTICA-VI», Запоріжжя 23-26 вересня, 2003. - С. 219-222.
8. Barabash M. Yu. Structure and properties of nickel aluminide rhenium eutectic alloy // IV International Young Scientists Conference «Problems of Optics & High Technology Material Science SPO 2003, Kyiv, Ukraine, October 23-26, 2003. - C. 61-62.
9. Barabash M. Yu. Investigations of the mechanical properties NiA+Re eutectic alloys // V International Young Scientists Conference «Problems of Optics & High Technology Material Science SPO 2004, Kyiv, Ukraine, October 28-31, 2004. - C. 115-116.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Отримання експериментальних даних про вплив іонізуючого опромінення на структуру та магнітні властивості аморфних і нанокристалічних сплавів на основі системи Fe Si-B. Результати досідження, їх аналіз та встановлення основних механізмів цього впливу.
реферат [32,4 K], добавлен 10.07.2010Вплив вуглецю та марганцю на термічне розширення та магнітні властивості інварних сплавів. Композиції, які забезпечили більшу міцність, ніж базового сплаву. Вплив вуглецю і марганцю на магнітну структуру сплавів Fe-Ni. Влив вуглецю на міжатомний зв’язок.
реферат [74,2 K], добавлен 10.07.2010Механізм росту покриття на стадії мікроплазменних розрядів. Основні моделі росту покриття. Осадження частинок з приелектродного шару. Синтез оксидокерамічних покриттів, фазовий склад. Головна перевага методу електродугового оксидування покриттів.
лекция [139,5 K], добавлен 29.03.2011Аналіз сучасних досліджень із підвищення зносостійкості твердих тіл. Вплив структури поверхневих шарів на їхню зносостійкість. Газотермічні методи нанесення порошкових покриттів. Регуляція параметрів зношування композиційних покриттів системи Fe-Mn.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 04.02.2011Підготовка та опис основних методик експерименту. Вплив водню на електронну структуру та пружні властивості заліза. Дослідження впливу легуючих елементів на міграцію атомів водню і впливу е-фази на механічні властивості наводнених аустенітних сталей.
реферат [44,2 K], добавлен 10.07.2010Використання алюмінію та його сплавів у промисловості, висока та технічна чистота металу. Підвищення вмісту цинку та магнію для забезпечення регуляції їх пластичності та корозійної стійкості. Аналіз сплавів алюмінію за рівнем технологічності їх обробки.
контрольная работа [11,3 K], добавлен 19.12.2010Основні принципи підвищення зносостійкості порошкових матеріалів на основі заліза. Вплив параметрів гарячого штампування на структуру і властивості отримуваних пористих заготовок. Технологія отримання композитів на основі системи карбід титану-сталь.
дипломная работа [4,8 M], добавлен 27.10.2013Характеристика алюмінію та його сплавів. Розповсюдженість алюмінію у природі, його групування на марки в залежності від домішок. Опис, класифікація за міцністю та сфери використання сплавів магнію. Основні механічні й технологічні властивості міді.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 22.01.2012Вплив мінеральних наповнювачів та олігомерно-полімерних модифікаторів на структурування композиційних матеріалів на основі поліметилфенілсилоксанового лаку. Фізико-механічні, протикорозійні, діелектричні закономірності формування термостійких матеріалів.
автореферат [29,3 K], добавлен 11.04.2009Впровадження технології підвищення довговічності деталей машин (колінчастих валів дизельних двигунів та хрестовин карданних валів) нанесенням покриттів плазмово-порошковим методом, за рахунок розробки ефективного матеріалу та параметрів обробки.
автореферат [759,5 K], добавлен 11.04.2009Аналіз основних типів і властивостей сплавів – речовин, які одержують сплавленням двох або більше елементів. Компоненти сплавів та їх діаграми. Механічна суміш – сплав, в якому компоненти не здатні до взаємного розчинення і не вступають в хімічну реакцію.
реферат [1,1 M], добавлен 04.02.2011Роль захисту деталей і металоконструкцій від корозії та зносу, підвищення довговічності машин та механізмів. Аналіз конструкції та умов роботи виробу, вибір методу, способу і обладнання для напилення, оптимізація технологічних параметрів покриття.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 02.02.2010Історія розвитку зварювання. Діаграма технологічної пластичності жароміцних нікелевих сплавів. Суть, техніка та технологія дифузійного зварювання. Вплив температури на властивості з'єднань при нормальній температурі сплавів. Процес дифузійного зварювання.
реферат [1,3 M], добавлен 02.03.2015Зернинна структура металів, її вплив на властивості сплавів і композитів. Закономірності формування зернинної структури в металевих матеріалах з розплаву і при кристалізації з парової фази. Розрахунок розміру зерна по електронно-мікроскопічним знімкам.
дипломная работа [646,5 K], добавлен 19.06.2011Моделювання, структуроутворення зон зливання спокійної сталі. Температура розливки з більшим та меншим перегріванням. Характеристика процесів і взаємозв'язок параметрів кристалізації. Лабораторна установка для моделювання процесу безперервної розливки.
лабораторная работа [754,8 K], добавлен 27.03.2011Підвищення довговічності стрільчастих лап культиваторів шляхом управління зносостійкістю леза лап по їх довжині за рахунок нанесення композиційних кераміко-металічних покриттів змінного складу. Модернізація технологічного процесу виготовлення лап.
автореферат [1,2 M], добавлен 11.04.2009Поняття про метал та сплав. Сорти та марки металів та їх сплавів. Склад сталі, основні домішки. Сталі за хімічним складом та призначенням, їх механічні властивості. Сортовий прокат, схема роботи. Металева продукція з різним профілем - сортамент.
презентация [2,6 M], добавлен 05.04.2013Загальні відомості про отримання покриттів газотермічним напиленням. Термічні параметри плазмових струменів. Способи стабілізації дуги в плазмотронах. Плазмове нанесення і обробка. Контроль якості. Правила техніки безпеки при проведенні напилення.
реферат [416,4 K], добавлен 03.02.2009Визначення мети, предмету та методів дослідження. Опис методики обладнання та проведення експериментів. Сплав ZrCrNi як основний об’єкт дослідження. Можливості застосування та вплив водневої обробки на розрядні характеристики і структуру сплаву ZrCrNi.
контрольная работа [48,7 K], добавлен 10.07.2010Вимоги та критичні властивості матеріалу шнеку м’ясорубки: корозійна стійкість, нетоксичність, твердість, міцність. Оптимальні матеріал та технологія лиття в пісок зі сплаву АК7п. З'ясування загальних закономірностей кристалізації доевтектичних сплавів.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 02.06.2014
