Структура и свойства конденсационных градиентных термобарьерных металлокерамических покрытий со связующим слоем NiAl, легированным Y, Hf, Dy
Проведен анализ современных методов повышения служебных характеристик жаростойкого сплава NiAl, используемого в качестве связующего слоя в термобарьерных покрытиях, путем введения в его состав активных элементов, например Y, Hf, Dy. Представлены результаты исследования структуры и свойств конденсаци...
Gespeichert in:
| Datum: | 2017 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2017
|
| Schriftenreihe: | Современная электрометаллургия |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160346 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Структура и свойства конденсационных градиентных термобарьерных металлокерамических покрытий со связующим слоем NiAl, легированным Y, Hf, Dy / К.Ю. Яковчук, Ю.Э. Рудой, А.В. Микитчик, Е.В. Оноприенко // Современная электрометаллургия. — 2017. — № 4 (129). — С. 8-16. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-160346 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1603462019-11-03T01:25:39Z Структура и свойства конденсационных градиентных термобарьерных металлокерамических покрытий со связующим слоем NiAl, легированным Y, Hf, Dy Яковчук, К.Ю. Рудой, Ю.Э. Микитчик, А.В. Оноприенко, Е.В. Электронно-лучевые процессы Проведен анализ современных методов повышения служебных характеристик жаростойкого сплава NiAl, используемого в качестве связующего слоя в термобарьерных покрытиях, путем введения в его состав активных элементов, например Y, Hf, Dy. Представлены результаты исследования структуры и свойств конденсационных термобарьерных покрытий NiAl/ZrO2–8 % Y₂O₃ толщиной 40…50/140…160 мкм на образцах из жаропрочного сплава ЖС-32ВИ с добавками Y, Hf, Dy в NiAl, в том числе с градиентным распределением их концентрации по толщине слоя NiAl. Установлено, что добавки активных элементов уменьшают в 4–5 раз средний размер зерен конденсированного слоя NiAl. Показано, что активные элементы в связующем слое выделяются как по границам, так и внутри зерен NiAl в виде частиц размером от 5 нм до 20 мкм в зависимости от уровня их концентрации. Установлено, что наиболее высокой термоциклической долговечностью при испытаниях на воздухе по режиму 40...1150 °С обладают градиентные покрытия NiAlDy/ZrO2–8 % Y₂O₃, в которых содержание диспрозия градиентно увеличивается по толщине слоя NiAl, достигая максимума (4…9 %) у границы раздела с внешним керамическим слоем. Отмечено, что позитивный эффект от введения Dy, в сравнении с Y, в состав NiAl обеспечивается благодаря торможению диффузии Al (примерно в 1,2 раза), замедлению скорости роста слоя окалины Al₂O₃ на границе раздела металл–керамика и повышению адгезии слоя окалины за счет врастания веретенообразных выделений оксидов на основе диспрозия в слой окалины. Проведено аналіз сучасних методів підвищення службових характеристик жаростійкого сплаву NiAl, що використовується в якості сполучного шару в термобар’єрних покриттях, шляхом введення в його склад активних елементів, наприклад Y, Hf, Dy. Представлені результати дослідження структури і властивостей конденсаційних термобар’єрних покриттів NiAl/ZrO2–8% Y₂O₃ товщиною 40...50/140...160 мкм на зразках з жароміцного сплаву ЖС-32ВІ з добавками Y, Hf, Dy в NiAl, в тому числі з градієнтним розподілом їх концентрації по товщині шару NiAl. Встановлено, що добавки активних елементів зменшують в 4–5 разів середній розмір зерен конденсованого шару NiAl. Показано, що активні елементи в сполучному шарі виділяються як по границям, так і всередині зерен NiAl у вигляді частинок розміром від 5 нм до 20 мкм в залежності від рівня їх концентрації. Встановлено, що найбільш високою термоциклічною довговічністю при випробуваннях на повітрі по режиму 40...1150 °С мають градієнтні покриття NiAlDy/ZrO2–8 % Y₂O₃, в яких вміст диспрозію градієнтно збільшується з товщиною шару NiAl, досягаючи максимуму (4...9 %) біля межі розділу з зовнішнім керамічним шаром. Відзначено, що позитивний ефект від введення до складу NiAl Dy, у порівнянні з Y, забезпечується завдяки гальмуванню дифузії Al (приблизно в 1,2 рази), уповільненню швидкості росту шару окалини Al₂O₃ на межі розділу метал–кераміка і підвищенню адгезії шару окалини за рахунок вростання веретеноподібних виділень оксидів на основі диспрозію в шар окалини. The analysis of modern methods for improving the service characteristics of NiAl heat-resistant alloy, used as a bond coat in thermal barrier coatings (TBC), was carried out by introducing active elements (AE), for example Y, Hf, Dy, into its composition. The article contains results of investigation of structure and properties of NiAl/ZrO2–8 % Y₂O₃ condensed TBC of 40...50/140...160 ?m thickness on ZhS-32VI super alloy samples with Y, Hf, Dy additives in NiAl, including gradient distribution of their concentration across the thickness of NiAl layer. It was found that the additions of active elements reduce the average grain size of the condensed NiAl layer by 4–5 times. It was shown that AEs in the bond layer are precipitated both along the boundaries and also inside the NiAl grains in the form of particles ranging in size from 5 nm to 20 μm, depending on the level of their concentration. It has been established that graded NiAlDy/ZrO2–8 % Y₂O₃ coatings, in which the dysprosium content gradiently rises with NiAl layer thickness, reaching a maximum (4...9 %) at the interface with outer ceramic layer, possess the highest thermal cyclic life during tests in air at the 40...1150 °С temperature mode. It is noted that the positive effect of Dy, as compared to, Y introduction into the NiAl composition, is provided due to the inhibition of Al diffusion (about 1, 2 times), delaying the Al₂O₃ scale growth rate at the metal-ceramic interface and the increase of adhesion of the scale layer by the growing-in of spindle-shaped precipitates of oxides on dysprosium base into the scale layer. 2017 Article Структура и свойства конденсационных градиентных термобарьерных металлокерамических покрытий со связующим слоем NiAl, легированным Y, Hf, Dy / К.Ю. Яковчук, Ю.Э. Рудой, А.В. Микитчик, Е.В. Оноприенко // Современная электрометаллургия. — 2017. — № 4 (129). — С. 8-16. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0233-7681 DOI: doi.org/10.15407/sem2017.04.02 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160346 669.187.526.001.5 ru Современная электрометаллургия Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Электронно-лучевые процессы Электронно-лучевые процессы |
| spellingShingle |
Электронно-лучевые процессы Электронно-лучевые процессы Яковчук, К.Ю. Рудой, Ю.Э. Микитчик, А.В. Оноприенко, Е.В. Структура и свойства конденсационных градиентных термобарьерных металлокерамических покрытий со связующим слоем NiAl, легированным Y, Hf, Dy Современная электрометаллургия |
| description |
Проведен анализ современных методов повышения служебных характеристик жаростойкого сплава NiAl, используемого в качестве связующего слоя в термобарьерных покрытиях, путем введения в его состав активных элементов, например Y, Hf, Dy. Представлены результаты исследования структуры и свойств конденсационных термобарьерных покрытий NiAl/ZrO2–8 % Y₂O₃ толщиной 40…50/140…160 мкм на образцах из жаропрочного сплава ЖС-32ВИ с добавками Y, Hf, Dy в NiAl, в том числе с градиентным распределением их концентрации по толщине слоя NiAl. Установлено, что добавки активных элементов уменьшают в 4–5 раз средний размер зерен конденсированного слоя NiAl. Показано, что активные элементы в связующем слое выделяются как по границам, так и внутри зерен NiAl в виде частиц размером от 5 нм до 20 мкм в зависимости от уровня их концентрации. Установлено, что наиболее высокой термоциклической долговечностью при испытаниях на воздухе по режиму 40...1150 °С обладают градиентные покрытия NiAlDy/ZrO2–8 % Y₂O₃, в которых содержание диспрозия градиентно увеличивается по толщине слоя NiAl, достигая максимума (4…9 %) у границы раздела с внешним керамическим слоем. Отмечено, что позитивный эффект от введения Dy, в сравнении с Y, в состав NiAl обеспечивается благодаря торможению диффузии Al (примерно в 1,2 раза), замедлению скорости роста слоя окалины Al₂O₃ на границе раздела металл–керамика и повышению адгезии слоя окалины за счет врастания веретенообразных выделений оксидов на основе диспрозия в слой окалины. |
| format |
Article |
| author |
Яковчук, К.Ю. Рудой, Ю.Э. Микитчик, А.В. Оноприенко, Е.В. |
| author_facet |
Яковчук, К.Ю. Рудой, Ю.Э. Микитчик, А.В. Оноприенко, Е.В. |
| author_sort |
Яковчук, К.Ю. |
| title |
Структура и свойства конденсационных градиентных термобарьерных металлокерамических покрытий со связующим слоем NiAl, легированным Y, Hf, Dy |
| title_short |
Структура и свойства конденсационных градиентных термобарьерных металлокерамических покрытий со связующим слоем NiAl, легированным Y, Hf, Dy |
| title_full |
Структура и свойства конденсационных градиентных термобарьерных металлокерамических покрытий со связующим слоем NiAl, легированным Y, Hf, Dy |
| title_fullStr |
Структура и свойства конденсационных градиентных термобарьерных металлокерамических покрытий со связующим слоем NiAl, легированным Y, Hf, Dy |
| title_full_unstemmed |
Структура и свойства конденсационных градиентных термобарьерных металлокерамических покрытий со связующим слоем NiAl, легированным Y, Hf, Dy |
| title_sort |
структура и свойства конденсационных градиентных термобарьерных металлокерамических покрытий со связующим слоем nial, легированным y, hf, dy |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2017 |
| topic_facet |
Электронно-лучевые процессы |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160346 |
| citation_txt |
Структура и свойства конденсационных градиентных термобарьерных металлокерамических покрытий со связующим слоем NiAl, легированным Y, Hf, Dy / К.Ю. Яковчук, Ю.Э. Рудой, А.В. Микитчик, Е.В. Оноприенко // Современная электрометаллургия. — 2017. — № 4 (129). — С. 8-16. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| series |
Современная электрометаллургия |
| work_keys_str_mv |
AT âkovčukkû strukturaisvojstvakondensacionnyhgradientnyhtermobarʹernyhmetallokeramičeskihpokrytijsosvâzuûŝimsloemniallegirovannymyhfdy AT rudojûé strukturaisvojstvakondensacionnyhgradientnyhtermobarʹernyhmetallokeramičeskihpokrytijsosvâzuûŝimsloemniallegirovannymyhfdy AT mikitčikav strukturaisvojstvakondensacionnyhgradientnyhtermobarʹernyhmetallokeramičeskihpokrytijsosvâzuûŝimsloemniallegirovannymyhfdy AT onoprienkoev strukturaisvojstvakondensacionnyhgradientnyhtermobarʹernyhmetallokeramičeskihpokrytijsosvâzuûŝimsloemniallegirovannymyhfdy |
| first_indexed |
2025-07-14T13:00:12Z |
| last_indexed |
2025-07-14T13:00:12Z |
| _version_ |
1837627356956590080 |
| fulltext |
8 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (129), 2017
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 669.187.526.001.5 https://doi.org/10.15407/sem2017.04.02
СТРуКТуРА И СВОЙСТВА КОНДЕНСАЦИОННЫх
ГРАДИЕНТНЫх ТЕРМОБАРьЕРНЫх
МЕТАЛЛОКЕРАМИчЕСКИх ПОКРЫТИЙ СО СВЯЗуЮщИМ
СЛОЕМ nial, ЛЕГИРОВАННЫМ y, Hf, dy
К. Ю. Яковчук1, Ю. Э. Рудой1, А. В. Микитчик1, Е. В. Оноприенко2
1Государственное предприятие «Международный центр электронно-лучевых технологий Института
электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины».
03150, г. Киев-150, ул. Горького (Антоновича), 68. E-mail: yakovchuk@paton-icebt.kiev.ua
2ТОВ «ОПТЕК».
04070, г. Киев, ул. Ильинская, 8. E-mail: onoprienko@optecgroup.com
Проведен анализ современных методов повышения служебных характеристик жаростойкого сплава NiAl, ис-
пользуемого в качестве связующего слоя в термобарьерных покрытиях, путем введения в его состав активных
элементов, например Y, Hf, Dy. Представлены результаты исследования структуры и свойств конденсационных
термобарьерных покрытий NiAl/ZrO2–8 % Y2O3 толщиной 40…50/140…160 мкм на образцах из жаропрочного
сплава ЖС-32ВИ с добавками Y, Hf, Dy в NiAl, в том числе с градиентным распределением их концентрации
по толщине слоя NiAl. Установлено, что добавки активных элементов уменьшают в 4–5 раз средний размер
зерен конденсированного слоя NiAl. Показано, что активные элементы в связующем слое выделяются как по
границам, так и внутри зерен NiAl в виде частиц размером от 5 нм до 20 мкм в зависимости от уровня их
концентрации. Установлено, что наиболее высокой термоциклической долговечностью при испытаниях на воз-
духе по режиму 40...1150 оС обладают градиентные покрытия NiAlDy/ZrO2–8 % Y2O3, в которых содержание
диспрозия градиентно увеличивается по толщине слоя NiAl, достигая максимума (4…9 %) у границы раздела
с внешним керамическим слоем. Отмечено, что позитивный эффект от введения Dy, в сравнении с Y, в состав
NiAl обеспечивается благодаря торможению диффузии Al (примерно в 1,2 раза), замедлению скорости роста
слоя окалины Al2O3 на границе раздела металл–керамика и повышению адгезии слоя окалины за счет врастания
веретенообразных выделений оксидов на основе диспрозия в слой окалины. Библиогр. 19, ил. 13.
К л ю ч е в ы е с л о в а : конденсационные градиентные термобарьерные покрытия; внешний керамический
слой на основе диоксида циркония; жаростойкий связующий слой NiAl; активные элементы Y, Hf, Dy; жаро-
прочные сплавы; термоциклическая долговечность термобарьерных покрытий
Современные термобарьерные покрытия (ТБП),
применяемые для защиты лопаток газотурбин-
ных двигателей (ГТД), представляют собой мно-
гослойные композиции: жаростойкий связующий
слой, наносимый на поверхность подложки (защи-
щаемой детали), и внешний керамический слой с
низким уровнем теплопроводности, как правило,
на основе ZrO2–Y2O3 (YSZ). Между этими слоями
находится тонкий слой окалины на основе Al2O3
(так называемый TGO — thermally grown oxide),
обеспечивающий адгезионную связь слоев по-
крытия. Жаростойкий связующий слой и внешний
керамический слой наносятся путем нескольких
последовательных технологических процессов,
например диффузионным насыщением, катодным
распылением, плазменным напылением, элек-
тронно-лучевым испарением и конденсацией в ва-
кууме (EB-PVD) [1–4].
В качестве материала жаростойкого связующе-
го слоя используют сплавы типа М–Cr–Al–Y (где
М — это Ni, Co, Fe, взятые в отдельности или в
комбинации), но их уровень жаростойкости резко
снижается при температуре выше 1150 оС. Спла-
вы на основе алюминида никеля (b-модификация
NiAl) обладают более высоким уровнем жаростой-
кости (до температуры 1200 оС) и поэтому также
могут использоваться в качестве жаростойкого свя-
зующего слоя термобарьерных покрытий [5–7].
Долговечность термобарьерных покрытий при
высокой температуре в условиях теплосмен во
многом определяется процессами окисления по-
верхности жаростойкого связующего слоя NiAl (в
основном скоростью роста слоя Al2O3 на границе
контакта NiAl/внешний керамический слой и ад-
гезией слоя Al2O3). Замедление процессов окис-
ления поверхности жаростойкого связующего
слоя NiAl и повышения его адгезии способствует
увеличению времени до скалывания внешнего ке-
рамического слоя и, соответственно, повышению
долговечности термобарьерного покрытия. С этой
© К. Ю. ЯКОВЧУК, Ю. Э. РУДОЙ, А. В. МИКИТЧИК, Е. В. ОНОПРИЕНКО, 2017
9ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (129), 2017
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
целью связующий слой NiAl дополнительно леги-
руют введением небольшого количества (от 0,01
до 1 мас. %) различных активных к кислороду хи-
мических элементов, например Y, Zr, Ce, La, Hf,
Dy [8–10], которые позволяют замедлить скорости
роста слоя окалины Al2O3 на поверхности NiAl,
а также повысить адгезию слоя окалины. Пози-
тивный эффект от введения указанных активных
элементов (АЭ) связывают прежде всего с обра-
зованием «клиновидных» выделений на границе
раздела окалины и NiAl, которые увеличивают
сцепление слоя окалины с металлом, формирова-
нием слоя окалины с более совершенной структу-
рой, а также с подавлением роста пустот/пор на
межфазной границе и уменьшению «вспучива-
ния» (rumpling) слоя окалины [11–14]. При одно-
временном легировании такими элементами, как
Hf и Y, достигается наиболее высокая жаростой-
кость NiAl за счет синэргетического эффекта [1].
Характерной особенностью приведенных
выше результатов исследований, а также и мно-
гих других аналогичных публикаций, является
гомогенное легирование (или модифицирование
микроструктуры) жаростойкого связующего слоя
NiAl максимально возможным количеством ак-
тивных химических элементов и соединений для
повышения жаростойкости и термической ста-
бильности, а также для улучшения адгезии слоя
окалины Al2O3, в результате чего повышается об-
щая долговечность термобарьерного покрытия.
Представляется целесообразным дальнейшее
совершенствование термобарьерных металлоке-
рамических покрытий с жаростойким связующим
слоем NiAl проводить в направлении как эконом-
ного легирования за счет создания градиентных
по составу и структуре покрытий, так и путем
нанесения подобных многослойных структур за
один технологический процесс.
В настоящей статье рассмотрены результаты ис-
следований структуры, а также термоциклической
долговечности различных вариантов многослой-
ных термобарьерных покрытий NiAl/ZrO2–8 %
Y2O3, полученных путем электронно-лучевого ис-
парения и конденсации в вакууме (EB-PVD) по од-
ностадийной технологии на образцах из жаропроч-
ных сплавов с введением активных элементов Y,
Hf, Dy в жаростойкий связующий слой NiAl, вклю-
чая их градиентное распределение по содержанию.
Объекты и техника эксперимента. В качестве
объекта исследований использовали образцы
(подложки) жаропрочного никелевого сплава
ЖС32-ВИ в виде шайб диаметром 14,5 мм и тол-
щиной 6 мм следующего химического состава,
мас. %: основа — Ni; 5,0 Cr; 9,0 Co; 1,0 Mo; 8,3 W;
4,0 Ta; 4,0 Re; 1,5 Nb; 6,0 Al.
Перед нанесением покрытий поверхность об-
разцов полировалаи с использованием шлифо-
вальных бумаг до значения Ra = 0,8 мкм.
Нанесение термобарьерных покрытий NiAl/
ZrO2–8 % Y2O3 производили за один технологи-
ческий цикл на электронно-лучевых установках
типа УЭ-202 и УЭ-207 путем последовательного
испарения таблетки NiAl (без добавок и с добавка-
ми активных элементов) и слитков ZrO2–8 % Y2O3
из двух расположенных рядом испарителей. Для
испарения применяли таблетки предварительно
сплавленных NiAl, NiAlY и NiAlDy (содержание Al
в таблетках составляло 48 %) массой 115 г. При вве-
дении добавок гафния в жаростойкий связующий
слой NiAl использовали одновременное совмест-
ное испарение таблетки NiAl и прутка Hf, распо-
ложенного в отдельном тигле рядом с испарителем
с таблеткой NiAl. Технологические особенности
подготовки испаряемых материалов и осаждения
покрытий NiAl/ZrO2–8 % Y2O3, а также методика
исследования их структуры и свойств изложены в
работе [15]. Толщина осажденного жаростойкого
связующего слоя NiAl составляла около 40 мкм, а
внешнего керамического — 140…160 мкм. Для
изучения влияния содержания легирующих до-
бавок АЭ в NiAl их концентрация варьировалась
в интервале от 0,05 до 1, 2 % (Y и Hf) и от 0,1 до
12 % (Dy). В ряде случаев осаждение жаростойкого
связующего слоя с добавками АЭ проводили по ре-
жиму, обеспечивающему градиентное распределе-
ние содержания активного элемента, при этом оно
увеличилось от минимальных значений у границы
раздела с жаропрочным сплавом (подложкой) и до-
стигло максимальной концентрации у границы раз-
дела со слоем окалины Al2O3.
После осаждения градиентного ТБП проводи-
ли вакуумную термическую обработку образцов
при температуре 1100 оС в течение 2 ч.
Печные термоциклические испытания образцов
на воздухе проводили по режиму: нагрев до 1150 оС
в течение 7 мин, выдержка на протяжении 45 мин,
ускоренное охлаждение образцов потоком воздуха
(вентилятором) до 50 оС в течение 8 мин. Полным
разрушением термобарьерного покрытия считали
скол 30 % площади внешнего керамического слоя.
Результаты и их обсуждение. Микроструктура
термобарьерного покрытия NiAl/ZrO2–8 % Y2O3,
осажденного за один технологический цикл, при-
ведена на рис. 1. Распределение химических эле-
ментов по толщине жаростойкого связующего слоя
и во внешнем керамическом приведено на рис. 2.
10 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (129), 2017
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
Характер диффузионных процессов, происходя-
щих в композиции жаропрочный сплав–конденси-
рованный слой NiAl после его осаждения и в про-
цессе вакуумной термической обработки детально
рассмотрены в работе [15]. При градиентном рас-
пределении добавки АЭ в NiAl его содержание
постепенно увеличивалось от минимальной кон-
центрации на границе раздела с подложкой (жа-
ропрочным сплавом) до максимальных значений у
границы раздела со слоем окалины Al2O3 (рис. 3).
При введении АЭ в состав NiAl происходит из-
мельчение его микроструктуры, при этом средний
размер зерна уменьшается в 4–5 раз (рис. 4, 5). Наи-
меньший размер зерен NiAl (3…4 мкм) отмечен при
совместном легировании иттрием и гафнием.
Введение добавок АЭ в состав слоя NiAl на
уровне до 1 % практически не оказывает влияния
на уровень его микротвердости. При увеличении
содержания АЭ выше 2…3 % микротвердость
слоя NiAl повышается на 15…20 %.
Конденсированная зона моноалюминида нике-
ля без добавок и с добавками АЭ в состоянии по-
сле вакуумного отжига имеет равноосную струк-
туру. Содержание алюминия в конденсированной
зоне покрытия во всех образцах находилось в пре-
делах 30…34 % в состоянии после осаждения и
26…29 % после вакуумного отжига. Расшифровка
электронограмм показала, что при конденсации
в качестве основной фазы формируется b-NiAl.
Cвязующий слой NiAl объединяет в себе конден-
сированный слой NiAl и две диффузионные зоны в
жаропрочном сплаве — внешнюю и внутреннюю
(рис. 1). Эти диффузионные зоны формируются
в процессе осаждения и термической обработки
покрытия за счет встречной диффузии алюминия
из NiAl к жаропрочному сплаву (внешняя зона) и
тугоплавких элементов из жаропрочного сплава в
NiAl (внутренняя зона).
В результате вакуумной термообработки на
межфазной границе NiAl и внешнего керамиче-
ского слоя формируется прослойка окалины из
Рис. 1. Микроструктура термобарьерного покрытия NiAl/ZrO2–8 % Y2O3 на жаропрочном сплаве ЖС-32ВИ после вакуумной
термообработки
Рис. 2. Распределение основных химических элементов (1 —
Al; 2 — O; 3 — Ni; 4 — Zr; 5 — Y; 6 — W) в термобарьерном
покрытии NiAl/ZrO2–8 % Y2O3
Рис. 3. Распределение основных легирующих элементов (1 —
Al; 2 — O; 3 — Ni; 4 — Zr; 5 — Y; 6 — Dy) по толщине на
границе раздела металл–керамика в термобарьерном гради-
ентном покрытии NiAlDy/ZrO2–8 % Y2O3
11ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (129), 2017
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
оксида алюминия (TGO, толщиной до 0,4 мкм),
при этом слой окалины Al2O3 плотно прилегает к
жаростойкому связующему слою, пористость на
межфазной границе отсутствует.
Отмечено, что вакуумная термическая обра-
ботка также вызывает активную диффузию АЭ
из глубины конденсированного слоя к межфаз-
ной границе с TGO. Вероятной движущей силой
данного процесса является высокое сродство АЭ
к кислороду. В результате в слое NiAl под слоем
TGO формируются частицы или их агломераты,
обогащенные АЭ. Микрорентгеноспектральным
анализом установлено достаточно высокое (~ до
3 %) содержание в них кислорода. При суммарном
легировании конденсированного слоя больше, чем
0,2 % АЭ обнаружено присутствие в слое TGO
частиц тройных соединиенй АЭ с алюминием и
кислородом, а также частиц оксидов АЭ.
Известно, что добавки АЭ имеют ограничен-
ную растворимость в NiAl: иттрий и диспрозий
практически не растворяются [16], а раствори-
мость гафния не превышает 1,3 % (при 1100 оС)
и 2,9 % (при 1200 оС) [16–18]. Вводимые в жаро-
стойкий связующий слой NiAl добавки АЭ выде-
ляются как внутри зерен, так и по границам в виде
двойных или тройных интерметаллидных фаз.
При этом размер этих выделений зависит от кон-
Рис. 4. Микроструктура поверхности жаростойкого слоя NiAl (а) и NiAlDy (б)
Рис. 5. Влияние добавок активных элементов (1 — NiAl; 2 —
NiAlDy; 3 — NiAlY; 4 — NiAlZrY; 5 — NiAlHf; 6 — NiAlHfY)
на средний размер зерна в NiAl
Рис. 6. Микроструктура границы контакта металл–керамика в покрытиях NiAl/ ZrO2–8 % Y2O3 (а) и NiAlY/ZrO2–8 % Y2O3 (б)
12 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (129), 2017
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
центрации добавки АЭ в конкретном участке слоя
NiAl. Например, при введении 0,6 % Y выделя-
ются интерметаллидные частицы Ni5Y размером
100...200 нм, имеющие равноосную форму и рав-
номерную локализацию в матрице (внутри зерна
моноалюминида никеля и по его границам).
На рис. 7, а–д представлены светлопольные
изображения структуры b-NiAl конденсированной
зоны покрытия после термической обработки без
легирующих добавок (а) и при введении иттрия
(б), гафния (в), иттрия и гафния одновременно (г).
При легировании b-NiAl гафнием наблюдается
больший разброс размерных значений частиц: от
наноразмерных 10…25 нм до частиц размерами
около 150 нм (рис. 7, в). В целом размер преципи-
тата меньше, чем при легировании иттрием. Обна-
ружено присутствие двух интерметаллидных фаз,
которые различаются по структуре и составу, пред-
положительно Al3Hf и Ni2AlHf (фаза Гейслера).
При одновременном введении иттрия и гафния
в количестве 0,4…1,0 % в матрице b-NiAl выявле-
ны частицы тех же интерметаллидов, что описаны
выше — Ni5Y, Al3Hf и Ni2AlHf (рис. 7, г). Преци-
питаты на основе иттрия выделяются в виде круп-
ных частиц (до 0,3 мкм) внутри и по границам зе-
рен моноалюминида никеля. В то же время фазы
на основе гафния имеют значительно меньшие
размеры (10…50 нм) и выделяются внутри зерен
NiAl в виде отдельных частиц или их цепочек.
При повышении концентрации АЭ в NiAl до
1,2…1,4 % размер выделяемых интерметаллид-
ных частиц увеличивается до 0,5…1,0 мкм, при
этом они выделяются преимущественно в виде
цепочек по границам зерен.
Рис. 7. Микроструктура моноалюминида никеля
(ПЭМ): а — без добавок; б — с добавками 0,6 % Y;
в — 0,7 % Hf; г — 0,7 % Y + 1,0 % Hf; д — 8 % Dy
13ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (129), 2017
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
При легировании b-NiAl диспрозием наблю-
дается выделение глобулярных частиц DyNi2Al3
(данные СЭМ и EDX анализа, результаты исследо-
ваний [10–12]) внутри зерен (рис. 8) и частиц вы-
тянутой веретеноподобной формы фазы DyNiAl
преимущественно по граница зерен (рис. 7, д).
Размер этих частиц также зависит от концентра-
ции диспрозия в NiAl и колеблется от 5 нм до
20 мкм при содержании Dy на уровне 0,05…0,1 и
6…8 % соответственно (рис. 9).
При исследовании термоциклической долго-
вечности установлено, что наиболее высоким
уровнем долговечности обладали варианты тер-
мобарьерных покрытий NiAlYHf/ZrO2–8 % Y2O3 и
NiAlDy/ZrO2–8 % Y2O3 с градиентным распределе-
нием содержания диспрозия (рис. 10).
Рис. 8. Выделение частиц на основе диспрозия внутри зерен
NiAl
Рис. 9. Микроструктура границы контакта металл–керамика
в градиентном покрытии NiAlDy/ZrO2–8 % Y2O3 (а) и хими-
ческий состав частиц (мас. %) на основе диспрозия, выделя-
ющихся в слое NiAl (б)
Рис. 10. Влияние добавок активных элементов (1 — NiAl;
2 — NiAlHf; 3 — NiAlY; 4 — NiAlHfY; 5 — NiAlDy) в жаро-
стойкий связующий слой NiAl на термоциклическую долго-
вечность покрытий NiAl/ZrO2–8 % Y2O3
Рис. 11. Влияние содержания диспрозия (1 — 0; 2 — 0,6; 3 —
0,9; 4 — 3,2; 5 — 5,6; 6 — 8,2; 7 — 10,1; 8 — 14,2 %) в жаро-
стойком связующем слое NiAl у границы раздела c внешним
керамическим на термоциклическую долговечность покры-
тий NiAl/ZrO2–8 % Y2O3
Рис. 12. Микроструктура поверхности жаростойкого связую-
щего слоя NiAlDy после 600 термоциклов
14 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (129), 2017
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
Следует отметить, что вариант покрытия с до-
бавками иттрий–гафний является более сложным
для реализации с технологической точки зрения,
т.к. необходимо одновременное испарение из
двух тиглей (гафний, обладая низкой упругостью
давления пара в вакууме, требует испарения из
отдельного источника). Поэтому более предпоч-
тительным для разработки промышленной техно-
логии нанесения термобарьерных покрытий явля-
ется вариант NiAlDy/ZrO2–8 % Y2O3.
Результаты исследований по оптимизации со-
держания диспрозия в жаростойком слое NiAl
приведены на рис. 11. При этом уровень содер-
жания Dy анализировали на участках под TGO.
Оптимальный диапазон содержания диспрозия в
жаростойком связующем слое NiAl, обеспечиваю-
щий наиболее высокую термоциклическую долго-
вечность покрытий, находится на уровне 5…10 %.
При исследовании образцов с покрытиями
NiAl/ZrO2–8 % Y2O3 (без добавок и с добавками
АЭ) после термоциклических испытаний уста-
новлено, что их разрушение происходит путем за-
рождения трещины между слоем окалины (TGO) и
поверхностью связующего слоя NiAl с последую-
щим скалыванием TGO и внешнего керамическо-
го слоя, что коррелируется с ранее выполненными
исследованиями [19]. Разрушение покрытий NiAl/
ZrO2–8 % Y2O3 происходило относительно быстро
(около 50 термоциклов), при этом толщина слоя
TGO не превышала 1…2 мкм, что свидетельствует
о слабой адгезии этого слоя с поверхностью NiAl.
При введении добавок АЭ в состав связующего
слоя термоциклическая долговечность покрытий
существенно повышалась, толщина TGO в момент
начала разрушения достигала 15…20 мкм.
Позитивное влияние добавок диспрозия на
термоциклическую долговечность может быть обу-
словлено следующими эффектами (помимо опи-
санных в начале статьи):
выделяющиеся внутри и по границам зерен
NiAl частицы соединений диспрозия с никелем
и алюминием (в том числе и наноразмерные) за-
медляют диффузионные процессы как в самом
жаростойком связующем слое, так и системе по-
крытие–подложка. Об этом свидетельствует более
высокое содержание алюминия в b-фазе в слое
NiAlDy после 900 термоциклов испытаний (до
13,4 %) по сравнению с содержанием алюминия
(до 11 %) в NiAlY после аналогичного количества
термоциклов, но при этом содержание в b-фазе
(толщина зоны остаточной b-фазы в слое NiAlDy)
была в 2 раза больше;
в процессе термоциклических испытаний наблю-
дается диффузия диспрозия к границе раздела слой
NiAl–слой TGO и выделение соединений диспрозия
в виде оксидов преимущественно по границам зерен
(рис. 12). Клиновидные и разветвленные частицы
размером до 15 мкм оксидов на основе диспрозия
(вероятно DyAlO3 [14]), находящиеся внутри слоя
TGO в процессе окисления поверхности слоя NiAl,
являются «якорями», способствующими повыше-
нию адгезии слоя окалины к NiAl (рис. 13).
Выводы
1. Легирование связующего слоя NiAl иттрием,
гафнием или диспрозием позволяет в 8–15 раз
повысить термоциклическую долговечность ком-
позиционных термобарьерных покрытий, получа-
емых электронно-лучевым испарением и конден-
сацией в вакууме.
2. Наиболее высокой термоциклической дол-
говечностью обладают композиционные термоба-
рьерные покрытия NiAlDy/ZrO2–8 % Y2O3 с гради-
ентным распределением диспрозия в связующем
Рис. 13. Микроструктура зоны контакта металл–керамика (а) и слоя TGO (б) в градиентном покрытии NiAlDy/ZrO2–8 % Y2O3
после 600 термоциклов
15ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (129), 2017
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
слое NiAl при его максимальной концентрации
под слоем TGO на уровне 4…9 %.
3. Установлено, что вводимый диспрозий вы-
деляется внутри и по границам зерен NiAl в виде
частиц фаз типа NixAlyDyz размером от 5 нм до
20 мкм, а также в слое окалины Al2O3 на границе
раздела металл–керамика предположительно в
виде соединения DyAlO3
4. Позитивный эффект от легирования диспро-
зием обеспечивается за счет: уменьшения размера
зерна NiAl в 4-5 раз; повышения термической ста-
бильности связующего слоя NiAl в результате за-
медления диффузионных процессов на 20…25 %;
повышения адгезии слоя окалины Al2O3 на грани-
це раздела металл–керамика из-за прорастания ве-
ретенообразных частиц на основе оксида диспро-
зия внутрь слоя NiAl.
Авторы выражают искреннюю благодар-
ность В. В. Трохимченко (ИЭС им. Е. О. Патона
НАН Украины) и С. М. Романенко (ГП «МЦ ЭЛТ»)
за помощь при подготовке статьи.
Список литературы/references
1. Darolia, R. (2013) Thermal barrier coatings technology:
Critical review, progress update, remaining challenges and
prospects. International Materials Reviews, 58(6), 315–348.
2. Levi, C.G. (2004) Emerging materials and processes for ther-
mal barrier systems. Solid State and Materials Sci., 38, 77–91.
3. Clarke, D.R., Oechsner, M., Padture, N. (2012) Thermal bar-
rier coatings for more efficient gas-turbine engines. MRS Bul-
letin, 37(10), 891–898.
4. Saini, A.K., Das, D., Pathak, M.K. (2012) Thermal barrier
coatings — application, stability and longevity aspects. Pro-
cedia Engineering, 38, 3173–3179.
5. Haynes, J.A., Lance, M.J., Pint, B.A., Wright I.G. (2001)
Characterization of commercial EB-PVD TBC systems with
CVD (Ni, Pt)Al bond coatings. Surf. Coat. Technol., 146–137,
140–146.
6. Kolomytsev, P.T. (1991) Thermal barrier coatings for nickel
alloys. Moscow, Metallurgiya [in Russian].
7. Guo, H., Sun, L., Li, H., Gong, S. (2008) High temperature
oxidation of hafnium modified NiAl bond coat in EB-PVD
thermal barrier coating system. Thin Solid Films, 516, 5732–
5735.
8. Naveos, S., Oberlaender, G., Cadoret, Y., Josso, P., Ba-
cos, M.-P. (2004) Zirconium modified aluminide by vapour
pack cementation process for thermal barrier applications:
Formation mechanisms and properties. Mat. Sci. Forum,
461–464, 375–382.
9. Nesbitt, J.A., Gleeson, B., Sordelet, D., Barrett, C.A. (2003)
Pt and Hf additions to NiAl bond coats and their effect on the
lifetime of thermal barrier coatings. Ibid., 426–432, 209–214.
10. Li, D., Guo, H., Peng, H. et al. (2013) Improved alumina scale
adhesion of electron beam physical vapor deposited Dy/Hf-
doped b-NiAl coatings. Appl. Surface Sci., 283, 513–520.
11. Guo, H., Wang, S., Wang, X., Gong, S. (2010) Cyclic oxi-
dation behaviours of EB-PVD Dy doped b-NiAl coatings at
1100 оC. Int. J. of Modern Physics B, 24(15–16), 3143–3148.
12. Li, D., Wang, L., Peng, H. et al. (2012) Cyclic oxidation be-
haviour of b-NiAlDy alloys containing varying aluminium
content at 1200 оC. Progress in Natural Sci.: Materials Int.,
22(4), 311–317.
13. Guo, H., Wang, X., Gong, S. (2010) Effects of Dy on the mi-
crostructure and spallation failure of the alumina scales grown
on NiAl. Int. J. of Modern Physics B, 24(15–16), 3149–3154.
14. Zhao, X., Guo, H., Gao, Y. et al. (2011) Effects of Dy on tran-
sient oxidation behaviour of EB-PVD b-NiAl coatings at el-
evated temperatures. Chinese J. of Aeronautics, 24, 363–368.
15. Yakovchuk, K.Yu., Mikitchik, A.V., Rudoy, Yu.E., Akhtyrsky,
A.O. (2016) Diffusion barrier layer for high-temperature protec-
tive coatings. Sovrem. Elektrometall., 4, 36–44 [in Russian].
16. Kositsyn, S.V., Kositsyna, I.I. (2008) Phase and structure
transformations in alloys based on nickel monoaluminide.
Usp. Fiz. Met., 9, 195–258 [in Russian].
17. Povarova, K.B., Kazanskaya, N.K., Drozdov, A.A., Moro-
zov, A.E. (2006) Physical-chemical principles of interaction
between nickel aluminides and alloying elements. I: Forma-
tion of solid solutions based on nickel aluminides. Metally, 5,
58–71 [in Russian].
18. Povarova. K.B., Kazanskaya, N.K., Drozdov, A.A., Moro-
zov, A.E. (2008) Rare-earth metals in alloys based on nickel
aluminides. I: Physical-chemical principles of interaction in
systems Ni–Al–REM-AE and Nix–Aly–REM-AE (alloying el-
ement). Ibid., 1, 58–64 [in Russian].
19. Smialek, J.L. (2015) Compiled furnace cyclic lives of EB-
PVD thermal barrier coatings. Surf. & Coat. Technol., 276,
31–38.
СТРуКТуРА ТА ВЛАСТИВОСТІ КОНДЕНСАЦІЙНИх ГРАДІЄНТНИх ТЕРМОБАР’ЄРНИх
МЕТАЛОКЕРАМІчНИх ПОКРИТТІВ ЗІ СПОЛучНИМ ШАРОМ nial, ЛЕГОВАНИМ y, Hf, dy
К. Ю. Яковчук1, Ю. Е. Рудой1, А. В. Микитчик1, Е. В. Онопрієнко2
1Державне підприємство «Міжнародний центр електронно-променевих технологій
Інституту електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України».
03150, м. Київ-150, вул. Горького (Антоновича), 68. E-mail: yakovchuk@paton-icebt.kiev.ua
2ТОВ «ОПТЕК».
04070, м. Київ, вул. Ільінська, 8. E-mail: Onoprienko@optecgroup.com
Проведено аналіз сучасних методів підвищення службових характеристик жаростійкого сплаву NiAl, що вико-
ристовується в якості сполучного шару в термобар’єрних покриттях, шляхом введення в його склад активних
елементів, наприклад Y, Hf, Dy. Представлені результати дослідження структури і властивостей конденсацій-
них термобар’єрних покриттів NiAl/ZrO2–8% Y2O3 товщиною 40...50/140...160 мкм на зразках з жароміцного
сплаву ЖС-32ВІ з добавками Y, Hf, Dy в NiAl, в тому числі з градієнтним розподілом їх концентрації по тов-
щині шару NiAl. Встановлено, що добавки активних елементів зменшують в 4–5 разів середній розмір зерен
16 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (129), 2017
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
конденсованого шару NiAl. Показано, що активні елементи в сполучному шарі виділяються як по границям, так
і всередині зерен NiAl у вигляді частинок розміром від 5 нм до 20 мкм в залежності від рівня їх концентрації.
Встановлено, що найбільш високою термоциклічною довговічністю при випробуваннях на повітрі по режиму
40...1150 оС мають градієнтні покриття NiAlDy/ZrO2–8 % Y2O3, в яких вміст диспрозію градієнтно збільшуєть-
ся з товщиною шару NiAl, досягаючи максимуму (4...9 %) біля межі розділу з зовнішнім керамічним шаром.
Відзначено, що позитивний ефект від введення до складу NiAl Dy, у порівнянні з Y, забезпечується завдяки
гальмуванню дифузії Al (приблизно в 1,2 рази), уповільненню швидкості росту шару окалини Al2O3 на межі
розділу метал–кераміка і підвищенню адгезії шару окалини за рахунок вростання веретеноподібних виділень
оксидів на основі диспрозію в шар окалини. Бібліогр. 19, іл. 13.
К л ю ч о в і с л о в а : конденсаційні градієнтні термобар’єрні покриття; зовнішній керамічний шар на основі
діоксиду цирконію; жаростійкий сполучний шар NiAl; активні елементи Y, Hf, Dy; жароміцні сплави; термо-
циклічна довговічність термобар’єрних покриттів
structure and properties of condensed gradient Metal-ceraMic tHerMal barrier coa-
tings witH nial-bond coat alloyed witH y, Hf, dy
K.yu. yakovchuk1, yu.e. rudoy1, a.V. Mykyktchyk1, e.V. onoprienko2
1State-Run Enterprise «International Center for Electron Beam Technologies of E.O. Paton Electric Welding, NASU».
68 Gorky (Antonovich) Str. 03150, Kyiv, Ukraine. E-mail: yakovchuk@paton-icebt.kiev.ua
2«OPTEC» Group.
8 Illinskaya Str., 04070, Kyiv, Ukraine. E-mail: onoprienko@optecgroup.com
The analysis of modern methods for improving the service characteristics of NiAl heat-resistant alloy, used as a bond
coat in thermal barrier coatings (TBC), was carried out by introducing active elements (AE), for example Y, Hf, Dy,
into its composition. The article contains results of investigation of structure and properties of NiAl/ZrO2–8 % Y2O3
condensed TBC of 40...50/140...160 μm thickness on ZhS-32VI super alloy samples with Y, Hf, Dy additives in NiAl,
including gradient distribution of their concentration across the thickness of NiAl layer. It was found that the additions
of active elements reduce the average grain size of the condensed NiAl layer by 4–5 times. It was shown that AEs in the
bond layer are precipitated both along the boundaries and also inside the NiAl grains in the form of particles ranging
in size from 5 nm to 20 μm, depending on the level of their concentration. It has been established that graded NiAlDy/
ZrO2–8 % Y2O3 coatings, in which the dysprosium content gradiently rises with NiAl layer thickness, reaching a
maximum (4...9 %) at the interface with outer ceramic layer, possess the highest thermal cyclic life during tests in air
at the 40...1150 ºС temperature mode. It is noted that the positive effect of Dy, as compared to, Y introduction into the
NiAl composition, is provided due to the inhibition of Al diffusion (about 1, 2 times), delaying the Al2O3 scale growth
rate at the metal-ceramic interface and the increase of adhesion of the scale layer by the growing-in of spindle-shaped
precipitates of oxides on dysprosium base into the scale layer. 19 Ref., 13 Fig.
K e y w o r d s : condensed gradient thermal barrier coatings; outer ceramic layer on zirconium dioxide base; heat-
resistant NiAl bond coat; active elements Y, Hf, Dy; super alloys; thermal cyclic life of TBC
Поступила 28.07.2017
|