ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Тепловое расширение – важная теплофизическая характеристика материалов, показывающая их расширение при нагревании. Знание этого свойства важно как с научной точки зрения, так и для практического использования. Материалы с низким тепловым расширением широко применяются в электронике, термобарьерных покрытиях и других областях. Несоответствие в тепловом расширении между различными материалами может привести к термическому напряжению на контактных поверхностях. Метод in situ синхротронной рентгеновской дифракции позволяет обнаружить это несоответствие. Термическое напряжение требует анализа коэффициента теплового расширения. Поведение при объемном расширении наблюдается в покрытиях, нанесенных термическим напылением. КТР важен для проектирования и прогнозирования характеристик покрытия при термических нагрузках. Изменение КТР может вызывать трещины и деградацию покрытия. In situ рентгеноструктурный анализ помогает понять тепловое расширение, размер кристаллитов и изменение напряжения и деформации при изменении температуры. Целью работы является интерпретация и использование in situ высокотемпературной рентгенографии в качестве эффективного инструмента для изучения поведения теплового несоответствия подложки из сплава ВК8 (8 вес.% Co, WC-матрица) с покрытиями CrN, ZrN и многослойным покрытием CrZrN, а также характерные различия между однокомпонентными покрытиями и их комбинации в многослойном покрытии. Методика исследования. В работе исследованы образцы нитридных покрытий хрома и циркония, нанесенных на подложки из твердого сплава ВК8. Основополагающим методом в работе является in situ анализ с использованием синхротронного излучения. Были оценены параметр решетки в зависимости от температуры циклирования, коэффициент теплового расширения при нагреве и охлаждении, а также исследовано несоответствие теплового расширения пары «подложка – покрытие» и слоев покрытия в многослойном покрытии. Результаты и обсуждение. Исследованы параметры кристаллической решетки и тепловое расширение покрытий. Параметр решетки всех покрытий уменьшался в процессе термоциклирования, что свидетельствует об испарении азота. Многослойное покрытие имеет наименьшее изменение параметра, возможно, из-за диффузионных барьеров. Искажения кристаллической решетки в одно- и многослойных покрытиях практически одинаковы. Все покрытия проявили тепловое расширение, схожее с подложкой. В многослойном покрытии создаются условия для сжимающих напряжений в одной фазе и растягивающих – в другой, поэтому срок службы многослойных покрытий ожидается высоким.

1. Krishnan R.S., Srinivasan R., Devanarayanan S. Theory of thermal expansion of crystals // Thermal expansion of crystals. – Pergamon Press, 1979. – Ch. 3. – P. 54–104. – (International Series in the Science of the Solid State; vol. 12). – DOI: 10.1016/B978-0-08-021405-4.50008-1.

2. Roy R., Agrawal D.K., McKinstry H.A. Very low thermal expansion coefficient materials // Annual Review of Material Science. – 1989. – Vol. 19. – P. 59–81. – DOI: 10.1146/annurev.ms.19.080189.000423.

3. Padture N.P., Gell M., Jordan E.H. Thermal barrier coatings for gas-turbine engine applications // Science. – 2002. – Vol. 296. – P. 280–284. – DOI: 10.1126/science.1068609.

4. Numerical simulation and analysis of thermal stress distributions for a planar solid oxide fuel cell stack with external manifold structure / C. Wang, J. Yang, W. Huang, T. Zhang, D. Yan, J. Pu, B. Chi, J. Li // International Journal of Hydrogen Energy. – 2018. – Vol. 43. – P. 20900–20910. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.08.076.

5. Dilation behavior of thermal spray coatings / M.L. Bejarano, A. Valarezo, E. Lara-Curzio, S. Sampath // Journal of Thermal Spray Technology. – 2019. – Vol. 28. – P. 1851–1866. – DOI: 10.1007/s11666-019-00927-4.

6. Atmospheric plasma sprayed thick thermal barrier coatings: Microstructure, thermal shock behaviors and failure mechanism / S. Tao, J. Yang, F. Shao, H. Zhao, X. Zhong, Y. Zhuang, J. Sheng, J. Ni, Q. Li, S. Tao // Engineering Failure Analysis. – 2022. – Vol. 131. – DOI: 10.1016/j.engfailanal.2021.105819.

7. Structural and transient internal friction due to thermal expansion mismatch between matrix and reinforcement in Al-SiC particulate composite / S. Kustov, S. Golyandin, K. Sapozhnikov, A. Vincent, E. Maire, G. Lormand // Materials Science and Engineering: A. – 2001. – Vol. 313. – P. 218–226. – DOI: 10.1016/S0921-5093(01)00971-6.

8. Khor K.A., Dong Z.L., Gu Y.W. Plasma sprayed functionally graded thermal barrier coatings // Materials Letters. – 1999. – Vol. 38. – P. 437–444. – DOI: 10.1016/S0167-577X(98)00203-1.

9. Öztürk B., Topcu A., Cora Ö.N. Influence of processing parameters on the porosity, thermal expansion, and oxidation behavior of consolidated Fe22Cr stainless steel powder // Powder Technology. – 2021. – Vol. 382. – P. 199–207. – DOI: 10.1016/j.powtec.2020.12.072.

10. Life time of new SYSZ thermal barrier coatings produced by plasma spraying method under thermal shock test and high temperature treatment / M.R. Loghman-Estarki, R. Shoja Razavi, H. Edris, M. Pourbafrany, H. Jamali, R. Ghasemi // Ceramics International. – 2014. – Vol. 40. – P. 1405–1414. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2013.07.023.

11. Thermal shock resistance and thermal insulation capability of laser-glazed functionally graded lanthanum magnesium hexaluminate/yttria-stabilised zirconia thermal barrier coating / M.A. Khan, A.V. Anand, M. Duraiselvam, K.S. Rao, R.A. Singh, S. Jayalakshmi // Materials (Basel). – 2021. – Vol. 14. – DOI: 10.3390/ma14143865.

12. Effect of thermal expansion on the high temperature wear resistance of Ni-20%Cr detonation spray coating on IN718 substrate / N. Purushotham, N.L. Parthasarathi, P.S. Babu, G. Sivakumar, B. Rajasekaran // Surface and Coatings Technology. – 2023. – Vol. 462. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2023.129490.

13. Mechanism of stress relaxation and phase transformation in additively manufactured Ti-6Al-4V via in situ high temperature XRD and TEM analyses / F.R. Kaschel, R.K. Vijayaraghavan, A. Shmeliov, E.K. McCarthy, M. Canavan, P.J. McNally, D.P. Dowling, V. Nicolosi, M. Celikin // Acta Materialia. – 2020. – Vol. 188. – P. 720–732. – DOI: 10.1016/j.actamat.2020.02.056.

14. Phase transformations and mechanical properties of a Ti36Nb5Zr alloy subjected to thermomechanical treatments / Q.-K. Meng, J.-D. Xu, H. Li, C.-H. Zhao, J.-Q. Qi, F.-X. Wei, Y.-W. Sui, W. Ma // Rare Metals. – 2022. – Vol. 41. – P. 209–217. – DOI: 10.1007/s12598-021-01744-x.

15. Strain evolution in Zr-2.5 wt% Nb observed with synchrotron X-ray diffraction / O.V. Shiman, T. Skippon, E. Tulk, M.R. Daymond // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 146. – P. 35–46. – DOI: 10.1016/j.matchar.2018.09.022.

16. Microstrain effect on thermal properties of nanocrystalline Cu / L.H. Qian, S.C. Wang, Y.H. Zhao, K. Lu // Acta Materialia. – 2002. – Vol. 50. – P. 3425–3434. – DOI: 10.1016/S1359-6454(02)00155-6.

17. Daymond M.R. Internal stresses in deformed crystalline aggregates // Reviews in Mineralogy and Geochemistry. – 2006. – Vol. 63. – P. 427–458. – DOI: 10.2138/rmg.2006.63.16.

18. Effect of macroscopic relaxation on residual stress analysis by diffraction methods / J. Repper, M. Hofmann, C. Krempaszky, B. Regener, E. Berhuber, W. Petry, E. Werner // Journal of Applied Physics. – 2012. – Vol. 112. – P. 64906. – DOI: 10.1063/1.4752877.

19. Fujita F.E. A statistical thermodynamic theory of pre-martensitic tweed structure // Materials Science and Engineering: A. – 1990. – Vol. 127. – P. 243–248. – DOI: 10.1016/0921-5093(90)90315-T.

20. In situ XRD study of the crystal size transition of hydroxyapatite from swine bone / S.M. Londoño-Restrepo, M. Herrera-Lara, L.R. Bernal-Alvarez, E.M. Rivera-Muñoz, M.E. Rodriguez-García // Ceramics International. – 2020. – Vol. 46. – P. 24454–24461. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.06.230.

21. Optimization of N-doped TiO₂ multifunctional thin layers by low frequency PECVD process / L. Youssef, A.J. Kinfack Leoga, S. Roualdes, J. Bassil, M. Zakhour, V. Rouessac, A. Ayral, M. Nakhl // Journal of the European Ceramic Society. – 2017. – Vol. 37. – P. 5289–5303. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.05.010.

22. Size effect of thermal expansion and thermal/intrinsic stresses in nanostructured thin films: Experiment and model / R. Daniel, D. Holec, M. Bartosik, J. Keckes, C. Mitterer // Acta Materialia. – 2011. – Vol. 59. – P. 6631–6645. – DOI: 10.1016/j.actamat.2011.07.018.

23. Manjunath N., Santhy K., Rajasekaran B. The effect of strain induced phase transformation on the thermal expansion compatibility of plasma sprayed spinel coating on SOFC metallic interconnect – A study using in situ high temperature X-ray diffraction // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48 (81). – P. 31767–31768. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.04.322.