Концентрационный и температурный механизмы диффузии в бинарных системах "сталь–покрытие" при длительных высокотемпературных воздействиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статья по теме:

Концентрационный и температурный механизмы диффузии в бинарных системах «сталь-покрытие» при длительных высокотемпературных воздействиях

Постников Д.В., Блесман А.И., Логачев И.А., Логачева А.И., Ткаченко Э.А., Полонянкин Д.А., Омский государственный технический университет (ОмГТУ), Омск

Аннотация

В работе проводится моделирование массопереноса в бинарных системах «сталь-покрытие» на основе температурного и концентрационного механизмов диффузии с учетом внутренних напряжений кристаллической решетки.

Ключевые слова: концентрационный и температурный механизмы диффузии, бинарная система «сталь-покрытие», тантал, вольфрам, моделирование процесса массопереноса.

Abstract

The work carried out the mass transfer simulation in a binary «steel-coating» systems on the basis of concentrational and temperature diffusion mechanisms, taking into account the internal stress of the crystal lattice.

Keywords: concentrational and temperature diffusion mechanisms, binary systems «steel-coating», tantalum, tungsten, mass transfer simulation.

Реферат

Разработана модель массопереноса элементов защитного покрытия в матрицу, в которой помимо температурного и концентрационного механизмов диффузии учитываются внутренние напряжения, обусловленные длительными высокотемпературными воздействиями (до 900С) на систему «сталь-покрытие». Результаты расчетов концентраций тантала и вольфрама по глубине бинарных систем позволяют сделать вывод о большей в 1,3 раза скорости диффузии вольфрама из покрытия в матрицу, что делает тантал более предпочтительным материалом для формирования покрытия с точки зрения его защитных свойств в условиях длительных высокотемпературных воздействий.

Введение

В различных отраслях промышленности широко используются защитные покрытия, повышающие эксплуатационные характеристики ответственных деталей, узлов и агрегатов. Одним из существенных факторов, влияющих на срок службы изделий, включающих детали с покрытием, являются процессы взаимной диффузии элементов покрытия и матрицы. Данные процессы непосредственно влияют на жаростойкость, коррозионную стойкость и износостойкость деталей, работающих при высокой температуре в агрессивных средах.

В авиационной промышленности формирование барьерных поверхностных слоев внутренних полостей лопаток газотурбинных двигателей производят посредством диффузионного насыщения тугоплавкими металлами (вольфрам, тантал, рений) и их карбидами[1, 2], в том числе, ионно-плазменными методами [3].

Покрытия из вольфрама используются для повышения срока службы узлов и агрегатов, функционирующих при высокотемпературных воздействиях в технологических установках производства водорода, установках очистки нефти от содержащейся в ней серы [4]. Беспористые покрытия на основе вольфрама и его карбидов коррозионно-устойчивы в растворах сероводорода и неорганических кислот, что существенно повышает срок службы инструментов и ответственных узлов при их эксплуатации в экстремально тяжелых условиях абразивного, коррозионного и эрозионного износа. Повышение эксплуатационных характеристик при этом достигается благодаря уникальному сочетанию химической стойкости, твердости, вязкости, трещино- и ударостойкости защитных покрытий [5].

Таким образом, повышение ресурса и эксплуатационных характеристик изделий, функционирующих в условиях длительных высокотемпературных воздействий, посредством формирования защитных покрытий, в том числе с применением тугоплавких металлов, является актуальной проблемой современного материаловедения.

В статье предлагается способ расчета распределения концентрации элементов в системе «сталь-покрытие» при высоких градиентах температуры и внутренних напряжениях в кристаллической решетке матрицы, позволяющий проводить выбор оптимального материала покрытия из тугоплавких металлов с точки зрения их защитных свойств в условиях длительных высокотемпературных воздействий.

Методика расчета массопереноса по концентрационному и температурному механизмам

Для расчета вероятности отдельного атома покинуть свое место в кристаллической решетке используют аппроксимацию Дебая. С точки зрения термодинамики для успешного скачка атома необходима флуктуация энергии, равная Гибсовскому термодинамическому потенциалу активизации атома().

(1)

(2)

где - флуктуация энергии, необходимая для перемещения атома, - вероятность его перемещения. Из выражения (2) для частоты прыжков атома выводится кинетическое уравнение диффузии по вакансионному механизму. При этом используется метод расчетов, предложенный ранее в исследовании [6], но в данной работе он дополнен учетом термонапряжений.

Рассмотрим три сечения плоскости кристаллической решетки, в которых расположены атомы. Эти плоскости перпендикулярны оси, вдоль которой происходит процесс диффузии атомов. Вдоль этой оси возникают градиенты концентраций компонентов сплава, градиент температуры, градиент концентрации вакансий и градиент внутренних напряжений. При этом расчет внутренних напряжений является дополнительным уточняющим фактором в представленной модели по сравнению с другими исследованиями. Допустим, что в результате действия внешней силы в образце изменяется параметр решетки. В случае возникновения механических напряжений параметры кристаллической решетки по глубине образца будут различаться.

На рисунке 1 приведена схема выбранных плоскостей с номерами 1, 2, 3. Число атомов компонентов А, В и вакансий V обозначены под каждой плоскостью, b1 и b3- расстояния между плоскостями.

Очевидно, число вакансий всегда меньше, чем число атомов. Следовательно, поток атомов определяется числом вакансий. Рассмотрим поток компонента А в направлении оси х. За поток примем изменение числа атомов компонента А в плоскости второй единичной площади в единицу времени.

Рис. 1 - Схема расположения атомных плоскостей

Это изменение связано с перескоками атомов из плоскости в плоскость. Число перескоков атомов компонента А из плоскости i в плоскость j определяется из выражения:

где - доля атомов компонента А в плоскости i.Можно записать выражение для потока :

Концентрации в соседних плоскостях связаны между собой с точностью до членов первого порядка относительно малых величин разложением в ряд:

Подставим (7) в (6), обозначив , в результате получим следующую формулу:

сталь диффузия кристаллический решетка

Введем с физическим смыслом средней вероятности прыжков в плоскость 2. Будем считать функцией . Тогда:

Подставим (9) в (8) получаем:

На следующем этапе производим разложение в ряд параметр решетки, в этом случае в уравнение вводятся упругие постоянные Е - модуль Юнга и внутренние напряжения Р.

Где

Выражаем микропараметры через коэффициенты диффузии.

и запишем уравнение Аррениуса: . Рассмотрим процесс взаимной диффузии двух компонентов. В результате получаем следующие уравнение.

Где - концентрация атомов сорта А и B, - энергия активации диффузии атомов сорта А и B, , - коэффициенты диффузии компонентов А и B, - коэффициент взаимной диффузии, P- распределение внутренних напряжений, Т- температура, к - постоянная Больцмана.

Первое слагаемое отражает взаимную диффузию в бинарной системе по концентрационному механизму, второе слагаемое отражает термодиффузию под действием градиента температуры [7, 8]. Кроме того, в данной модели учтены внутренние напряжения в кристаллической решетке, вызванные внешним воздействием или неравномерным распределением температуры.

Экспериментальная часть. Расчет распределения легирующих элементов после нагрева

Для дальнейших расчетов перераспределения элементов в результате длительного нагрева воспользуемся уравнением (12), которое решалось численными методами. Для этого использовалась неявная конечно-разностная схема с расщеплением по физическим процессам [9]. Все использованные в расчетах коэффициенты диффузии (D0=1.210-4 м2с-1 и D0=7,510-5 м2с-1, EA=413 кДж/моль и EA=487 кДж/моль для тантала и вольфрама соответственно) были получены в ходе экспериментов и представлены в соответствующих источниках [10].

Рассматриваемые легирующие элементы (вольфрам и тантал) являются «менее подвижными» (имеют больший коэффициент диффузии) по сравнению с железом. В соответствии с разработанной моделью и первоначальным распределением элементов (гетерогенная система с нанесенным покрытием) наблюдается поток легирующих элементов покрытия во внутренние слои матрицы, как по концентрационному механизму, так и по механизму термодиффузии. В концентрационном механизме направление диффузии очевидно, первоначально концентрация в области покрытия значительно выше, чем в матрице, и элемент покрытия диффундирует вглубь образца (рисунки 2 - 4).

Рис. 2 - Распределение концентрации вольфрама по глубине образца при различных временах нагрева (900С). Толщина покрытия 0,5 мкм

Рис. 3 - Распределение концентрации тантала по глубине образца при различных временах нагрева (T=900С). Толщина покрытия 0,5 мкм

Согласно механизму термодиффузии более подвижная примесь перемещается из области с более высокой температурой в область более низкой температурой. Поскольку перескоки атомов такой примеси более вероятны, поток этой примеси будет направлен против направления градиента температуры. В данном случае атомы железа из стали по механизму термодиффузии будут перемещаться к поверхности, тем самым концентрация легирующего элемента покрытия будет уменьшаться у поверхности и расти во внутренних слоях. Таким образом, концентрационный и термодиффузионный механизмы направлены в одну сторону. Под действием внутренних напряжений также происходит диффузия атомов вольфрама и тантала во внутренние слои матрицы.

Рис. 4 - Распределение концентрации вольфрама и тантала по глубине образца. Толщина покрытия 0,5 мкм. Температура 900С. Время нагрева - 60 минут

Анализ концентрационных профилей показывает, что при нагреве бинарных систем «сталь-покрытие» до температуры 900 градусов по шкале Цельсия в течение 60 минут и одинаковой толщине покрытия концентрация атомов тантала на глубине до 1.25 микрометров изменяется в пределах от 0.39 до 0.21 атомных долей массы. Соответствующие значения концентрации атомов вольфрама варьируются в диапазоне от 0.32 до 0.20 атомных долей (ат.д.) массы. Различие концентраций атомов вольфрама (0.27 ат.д.) и тантала (0.34 ат.д.) на границе матрицы и покрытия (толщиной 0,5 микрометра) обусловлено скоростью диффузии их атомов при внешних высокотемпературных воздействиях.

Выводы

Основными механизмами массопереноса элементов покрытия при нагреве образцов до температуры 900C является концентрационный механизм диффузии и термодиффузия по вакансионному механизму, обусловливающие интенсивный перенос элементов покрытия вглубь матрицы. В начальный момент времени диффузия протекает более интенсивно в связи с возникновением больших концентрационных градиентов на границе матрица и покрытия, на второй стадии процесса снижению скорости диффузии способствует убыль концентрации точечных дефектов и уменьшение концентрационных градиентов.

Результаты расчетов концентраций тантала и вольфрама по глубине бинарных систем позволяют сделать вывод о большей в 1,3 раза скорости диффузии вольфрама из покрытия в матрицу, что делает тантал более предпочтительным материалом для формирования покрытия с точки зрения его защитных свойств в условиях длительных высокотемпературных воздействий.

Литература

1. Галоян А.Г. Термодиффузионные процессы насыщения тугоплавкими элементами и углеродом поверхности внутренней полости лопаток турбины высокого давления ГТД из перспективных никелевых жаропрочных сплавов [Текст] / А.Г. Галоян, С.А. Мубояджян, Д.С. Кашин // Авиационные материалы и технологии. - 2014. - № S5. - С. 45-55.

2. Мубояджян, С.А. Защита поверхности внутренней полости монокристаллических лопаток турбины ГТД из современных безуглеродистых жаропрочных сплавов [Текст] / С.А. Мубояджян, А.Г. Галоян // Авиационные материалы и технологии. - 2008. - № 3(8). - С. 12-17.

3. Kablov, E.N. Ion-plasma protective coatings for gas-turbine engine blades [Text] / E.N. Kablov, S.A. Muboyadzhyan, S.A. Budinovskii, A.N. Lutsenko // Russian Metallurgy (Metally). - 2007. - № 5. - P. 364-372.

4. Лахоткин, Ю.В.Износостойкие противокоррозионные покрытия для экстремальных условий работы в нефтегазовой индустрии [Текст] / Ю.В. Лахоткин, В.П. Кузьмин, В.Л. Гончаров, В.В. Душик, Н.Г. Ануфриев, Ю.П. Топоров, Н.В. Рожанский// Коррозия: материалы, защита. - 2011. - № 2. - С. 28-32.

5. Ji, W.-S. Effect of tungsten on the corrosion behavior of sulfuric acid-resistant steels for flue gas desulfurization system [Text] / W.-S. Ji, Y.-W. Jang, J.-G. Kim // Metals and Materials International. - 2011. -№ 17(3)- P. 463-470.

6. Plotnikov, S.V. Degradation of austenitic steel 12X18H10T after electron beam impact[Text] / S.V. Plotnikov, N.K. Erdybaeva, E.O. Tleukenov // IOP Conference Series: Material Science and Engineering. - 2015. -№ 81. - P. 012013.

7. Blesman, A.I.Research of the thermal-tension condition and the elemental composition gradient changes of binary systems produced by combined ion-plasma method [Text] / A.I. Blesman, D.V. Postnikov, D.A. Polonyankin//IOP Conference Series: Material Science and Engineering. - 2015. -№ 81. - P. 012031.

8. Blesman, A.I. The influence of the high temperature annealing on the small impurities segregation in J24056 grain steel [Text] / A.I. Blesman, D.V. Postnikov, D.A. Polonyankin//ProcediaEngineering.-2015.-№ 113.- P. 413-417.

9. Пасконов, В.М. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена[Текст] / В.М. Пасконов, В.И. Полежанов, Л.А. Чудов. -М.: Наука, 1984.-288 с.

10. Лариков, Л.Н. Диффузия в металлах и сплавах. Справочник. [Текст] / Л.Н. Лариков, В.И. Исайчев. - Киев: Наукова Думка, 1987.- 512 c.

Размещено на Allbest.ru