ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. В последние десятилетия интерметаллиды системы Ni-Al заняли особое место как высокотемпературные функциональные покрытия, применяемые в аэрокосмической промышленности. В качестве основных методов их нанесения используют высокоскоростное кислородно-топливное и воздушно-топливное напыление (HVOF и HVAF), атмосферное плазменное напыление (APS), а также его модификацию – метод HV-APS, для которого характерна сверхзвуковая скорость плазменного потока. Система Ni-Al достаточно интересна для изучения, поскольку в ней возможно образование восьми различных интерметаллидов, а также мартенсита, который при последующем нагреве распадается. Цель работы: исследовать особенности мартенситной структуры в HV-APS-покрытиях, а также установить влияние температуры нагрева на его распад. Материалы и методики. Ni-Al-покрытия наносили методом HV-APS на подложку из низкоуглеродистой стали. Исследования тонкой структуры покрытий проводили при помощи просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Кроме того, анализировали структурные превращения, протекающие в покрытиях, после нагрева в печи при температурах от 300 до 600 °С. Результаты и обсуждение. Показано, что в HV-APS-покрытиях формируется два типа частиц: с дендритным и зёренным строением. Структура HV-APS-покрытий в основном представляет собой частицы с двухфазным зёренным строением (зёрна NiхAl1-х и γ′-Ni3Al). При охлаждении материала покрытий только зёрна фазы NiхAl1-х испытывают мартенситное превращение. Выявлено, что в крупных зёрнах (размерами более 500 нм) мартенсит имеет пластинчатое строение, мелкие зёрна полностью трансформируются в одну мартенситную пластину. Кроме того, в покрытиях встречаются зёрна, в которых пластины мартенсита (NiхAl1-х) и β-фазы чередуются. В работе показано поведение мартенситных пластин при столкновении друг с другом, а также с фазой γ′-Ni3Al. Выявлено, что при нагреве до 400 °С в отдельных зёрнах начинается распад мартенсита с выделением вторичной фазы. После отпуска при 600 °С весь мартенсит распадается.
Корниенко Елена Евгеньевна
Гуляев Игорь Павлович
Смирнов Александр Игоревич
Плотникова Наталья Владимировна
Кузьмин Виктор Иванович
Головахин Валерий Валерьевич
Тамбовцев Александр Сергеевич
Тырышкин Павел Андреевич
Сергачев Дмитрий Викторович
1. Bochenek K., Basista M. Advances in processing of NiAl intermetallic alloys and composites for high temperature aerospace applications // Progress in Aerospace Sciences. – 2015. – Vol. 79. – P. 136–146. – DOI: 10.1016/j.paerosci.2015.09.003.
2. Microstructure of NiAl-Ta-Cr in situ alloyed by induction-assisted laser-based directed energy deposition / M. Müller, S. Enghardt, M. Kuczyk, M. Riede, E. López, F. Brueckner, A. Marquardt, C. Leyens // Materials & Design. – 2024. – Vol. 238. – P. 112667. – DOI: 10.1016/j.matdes.2024.112667.
3. Composition-dependent interdiffusion coefficient, reduced elastic modulus and hardness in γ-, γ′- and β-phases in the Ni-Al system / L. Zhou, A. Mehta, K. Cho, Y. Sohn // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Vol. 727. – P. 153–162. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.07.256.
4. Darolia R. Ductility and fracture toughness issues related to implementation of NiAl for gas turbine applications // Intermetallics. – 2000. – Vol. 8 (9–11). – P. 1321–1327. – DOI: 10.1016/S0966-9795(00)00081-9.
5. Formation of multiply twinned martensite plates in rapidly solidified Ni3Al-based superalloys / Y. Li, C. Li, J. Wu, Y. Wu, Z. Ma, L. Yu, H. Li, Y. Liu // Materials Letters. – 2019. – Vol. 250. – P. 147–150. – DOI: 10.1016/j.matlet.2019.05.012.
6. Research status and progress of NiAl based alloys as high temperature structural materials / J. Wang, J. Qian, X. Zhang, Y. Wang // Rare Metals. – 2011. – Vol. 30. – P. 422–426. – DOI: 10.1007/s12598-011-0317-2.
7. High temperature corrosion and wear behavior of HVOF-sprayed coating of Al2O3-NiAl on AISI 304 stainless steel / N. Abuwarda, A.J. Lopez, M.D. Lopez, M.V. Utrilla // Surface and Coating Technology. – 2019. – Vol. 359. – P. 35–46. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.12.047.
8. Experimental investigations on the chlorine-induced corrosion of HVOF thermal sprayed Stellite-6 and NiAl coatings with fluidised bed biomass/anthracite combustion systems / H. Chi, M.A. Pans, M. Bai, C. Sun, T. Hussain, W. Sun, Y. Yao, J. Lyu, H. Liu // Fuel. – 2021. – Vol. 288. – P. 119607. – DOI: 10.1016/j.fuel.2020.119607.
9. Sadeghimeresht E., Markocsan N., Nylén P. A comparative study on Ni-based coatings prepared by HVAF, HVOF, and APS methods for corrosion protection applications // Journal of Thermal Spray Technology. – 2016. – Vol. 25. – P. 1604–1616. – DOI: 10.1007/s11666-016-0474-9.
10. Sadeghimeresht E., Markocsan N., Nylén P. Microstructural and electrochemical characterization of Ni-based bi-layer coatings produced by the HVAF process // Surface and Coating Technology. – 2016. – Vol. 304. – P. 606–619. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2016.07.080.
11. Effect of isothermal treatment on Ni3Al coatings deposited by air plasma spraying system / K. Mehmood, M.A. Rafiq, Y.A. Durrani, A.N. Khan // Archives of Metallurgy Materials. – 2018. – Vol. 63. – P. 277–283. – DOI: 10.24425/118938.
12. Study on the oxidation resistance mechanism of self-healable NiAl coating deposited by atmospheric plasma spraying / L. Zhang, D. Wang, X.-J. Liao, R. Chen, X.-T. Luo, C.-J. Li // npj Materials Degradation. – 2023. – Vol. 7. – P. 62. – DOI: 10.1038/s41529-023-00383-0.
13. Microstructure and wear of thermal sprayed composite NiAl-based coatings / O. Poliarus, J. Morgiel, O. Umanskyi, M. Pomorska, P. Bobrowski, M.J. Szczerba, O. Kostenko // Archives of Civil and Mechanicals Engineering. – 2019. – Vol. 19. – P. 1095–1103. – DOI: 10.1016/j.acme.2019.06.002.
14. Microstructure and corrosion behavior of plasma-sprayed nanodiamond-reinforced NiAl nanocomposite coating / K.K. Mirche, K.K. Pandey, S.M. Pandey, A.K. Keshri // Journal of Thermal Spray Technology. – 2023. – Vol. 32. – P. 1299–1310. – DOI: 10.1007/s11666-023-01558-6.
15. Saltykov P., Cornish L., Cacciamani G. Al-Ni binary phase diagram evaluation // MSI Eureka / ed. by G. Effenberg. – MSI, 2004. – URL: https://materials.springer.com/msi/docs/sm_msi_r_20_010238_01 (accessed: 21.08.2024).
16. Косицин С.В., Косицына И.И. Фазовые и структурные превращения в сплавах на основе моноалюминида никеля // Успехи физики металлов. – 2008. – Т. 9 (2). – С. 195–258. – DOI: 10.15407/ufm.09.02.195.
17. Nanoscale inhomogeneities in melt-spun Ni-Al / P.L. Potapov, P. Ochin, J. Pons, D. Schryvers // Acta Materialia. – 2000. – Vol. 48. – P. 3833–3845. – DOI: 10.1016/S1359-6454(00)00188-9.
18. X-ray study of phase transformations in martensitic Ni-Al alloys / P.L. Potapov, S.Y. Song, V.A. Udovenko, S.D. Prokoshkin // Metallurgical and Materials Transactions A. – 1997. – Vol. 28A. – P. 1133–1142. – DOI: 10.1007/s11661-997-0279-z.
19. Microstructures and interfaces in Ni-Al martensite: comparing HRTEM observations with continuum theories / D. Schryvers, P. Boullay, P.L. Potapov, R.V. Kohn, J.M. Ball // International Journal of Solids and Structures. – 2002. – Vol. 39. – P. 3543–3554. – DOI: 10.1016/S0020-7683(02)00167-1.
20. Kim S.H., Oh M.H., Wee D.M. Effects of ternary additions on the thermoelastic martensitic transformation of NiAl // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2003. – Vol. 34A. – P. 2089–2095. – DOI: 10.1007/s11661-003-0273-z.
21. Electron microscopy study of the formation of Ni5A13 in a Ni62.5A137.5 B2 alloy. I. Precipitation and growth / D. Schryvers, Y. Ma, L. Toth, L. Tanner // Acta Metallurgica et Materialia. – 1995. – Vol. 43 (11). – P. 4045–4056.
22. Schryvers D., Ma Y. The growth of Ni5Al3 in L10 martensite studied by in situ transmission electron microscopy and high resolution electron microscopy // Journal of Alloys and Compounds. – 1995. – Vol. 221. – P. 227–234. – DOI: 10.1016/0925-8388(94)01467-1.
23. Microstructure evolution of an EB-PVD NiAl coating and its underlying single crystal superalloy substrate / X. Gong, H. Peng, Y. Ma, H. Guo, S. Gong // Journal of Alloys and Compounds. – 2016. – Vol. 672. – P. 36–44. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.02.115.
24. Characterization and modeling of a martensitic transformation in a platinum modified diffusion aluminide bond coat for thermal barrier coatings / M.W. Chen, M.L. Glynn, R.T. Ott, T.C. Hufnagel, K.J. Hemker // Acta Materialia. – 2003. – Vol. 51. – P. 4279–4294. – DOI: 10.1016/S1359-6454(03)00255-6.
25. Microstructure and properties of Ni-Al coatings obtained by conventional and high-velocity atmospheric plasma spraying / E. Kornienko, I. Gulyaev, A. Smirnov, A. Nikulina, A. Ructuev, V. Kuzmin, A. Tuezov // Results in Surfaces and Interfaces. – 2022. – Vol. 6. – P. 100038. – DOI: 10.1016/j.rsurfi.2022.100038.
Финансирование
Работа выполнена в рамках государственного задания ИТПМ СО РАН.
Благодарности
Исследования выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов».
Особенности тонкой структуры Ni-Al покрытий, полученных методом HV-APS / Е.Е. Корниенко, И.П. Гуляев, А.А. Смирнов, Н.В. Плотникова, В.И. Кузьмин, В. Головахин, А.С. Тамбовцев, П.А. Тырышкин, Д.В. Сергачёв // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 3. – С. 286–297. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-286-297.
Kornienko E.E., Gulyaev I.P., Smirnov A.I., Plotnikova N.V., Kuzmin V.I., Golovakhin V., Tambovtsev A.S., Tyryshkin P.A., Sergachev D.V. Fine structure features of Ni-Al coatings obtained by high velocity atmospheric plasma spraying. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2024, vol. 26, no. 3, pp. 286–297. DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-286-297. (In Russian).
