Диффузионный барьерный слой для высокотемпературных защитных покрытий
Исследовано влияние диффузионных барьерных слоев, полученных путем электронно-лучевого осаждения антрацена и хрома, на химический состав, микроструктуру, микротвердость и адгезию конденсационных покрытий NiAl толщиной 40 мкм, нанесенных на образцы из жаропрочных сплавов ЭП-99 и CMSX-4. Отмечено, что...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Datum: | 2016 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2016
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/132801 |
| 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: | Диффузионный барьерный слой для высокотемпературных защитных покрытий / К.Ю. Яковчук, А.В. Микитчик, Ю.Э. Рудой, А.О. Ахтырский // Современная электрометаллургия. — 2016. — № 4 (125). — С. 36-44. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-132801 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Яковчук, К.Ю. Микитчик, А.В. Рудой, Ю.Э. Ахтырский, А.О. 2018-04-27T09:39:00Z 2018-04-27T09:39:00Z 2016 Диффузионный барьерный слой для высокотемпературных защитных покрытий / К.Ю. Яковчук, А.В. Микитчик, Ю.Э. Рудой, А.О. Ахтырский // Современная электрометаллургия. — 2016. — № 4 (125). — С. 36-44. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0233-7681 DOI: doi.org/10.15407/sem2016.04.06 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/132801 669.187.526.001.5 Исследовано влияние диффузионных барьерных слоев, полученных путем электронно-лучевого осаждения антрацена и хрома, на химический состав, микроструктуру, микротвердость и адгезию конденсационных покрытий NiAl толщиной 40 мкм, нанесенных на образцы из жаропрочных сплавов ЭП-99 и CMSX-4. Отмечено, что на поверхности жаропрочного сплава в процессе термической обработки при 1080 °С в течение 2 ч формируется диффузионный барьерный слой толщиной около 5 мкм из карбидов преимущественно на основе вольфрама при нанесении слоя углерода и из карбидов на основе хрома при нанесении слоя хрома и углерода. В процессе последующей высокотемпературной выдержки в течение 10 ч при 1080 оС карбиды вольфрама сферической формы в зоне диффузионного барьерного слоя укрупняются до 1,5 мкм, а карбиды хрома выделяются в виде цепочки пластин длиной до 6 мкм. Показано позитивное влияние диффузионно барьерного слоя на замедление диффузии алюминия в жаропрочный сплав и тугоплавких элементов (W, Ta, Re) из жаропрочного сплава в покрытие. Установлено, что нанесение диффузионного барьерного слоя не ухудшает адгезию покрытий NiAl как в состоянии после осаждения, так и после термической обработки. Отмечено, что термоциклическая долговечность термобарьерного покрытия NiAl/ZrO₂–8 % Y₂O₃ повышается на 25 % при использовании диффузионно барьерного слоя из углерода. The effect of diffusion barrier layers, produced by electron beam deposition of anthracene and cromium, on chemical composition, microstrucutre, microhardness and adhesion of condensation coatings NiAl of 40 μm thickness, deposited on samples of high-temperature alloys EP-99 and CMSX-4 was investigated. It was noted that on the surface of hightemperature alloy during heat treatment at 1800 °C for 2 h a diffusion barrier layer of thickness of about 5 μm of carbides mainly on the base of tungsten at deposition of carbon layer and of carbides on the base of chromium at deposition of layer of chromium and carbon is formed. In the process of the next high-temperature holding during 10 h at 1080 оC the tungsten carbides of a spherical shape in the zone of diffusion barrier layer are enlarged up to 1.5 μm, and chromium carbides are precipitated in the form of chain of plates of up to 6 μm length. The positive effect of diffusion barrier layer on delay of diffusion of aluminium into high-temperature alloy and refractory elements (W, Ta, Re) of high-temeprature alloy into coating is shown. It was found that the deposition of diffusion barrier layer does not deteriorate the adhesion of coatings NiAl both in as-deposited state, and also after heat treatment. It was noted that thermal cyclic life of the thermal barrier coating NiAl/ZrO₂–8 % Y₂O₃ is increased by 25 % at using the diffusion barrier layer of carbon. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Электронно-лучевые процессы Диффузионный барьерный слой для высокотемпературных защитных покрытий Diffusion barrier layer for high-temperature protective coatings Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Диффузионный барьерный слой для высокотемпературных защитных покрытий |
| spellingShingle |
Диффузионный барьерный слой для высокотемпературных защитных покрытий Яковчук, К.Ю. Микитчик, А.В. Рудой, Ю.Э. Ахтырский, А.О. Электронно-лучевые процессы |
| title_short |
Диффузионный барьерный слой для высокотемпературных защитных покрытий |
| title_full |
Диффузионный барьерный слой для высокотемпературных защитных покрытий |
| title_fullStr |
Диффузионный барьерный слой для высокотемпературных защитных покрытий |
| title_full_unstemmed |
Диффузионный барьерный слой для высокотемпературных защитных покрытий |
| title_sort |
диффузионный барьерный слой для высокотемпературных защитных покрытий |
| author |
Яковчук, К.Ю. Микитчик, А.В. Рудой, Ю.Э. Ахтырский, А.О. |
| author_facet |
Яковчук, К.Ю. Микитчик, А.В. Рудой, Ю.Э. Ахтырский, А.О. |
| topic |
Электронно-лучевые процессы |
| topic_facet |
Электронно-лучевые процессы |
| publishDate |
2016 |
| language |
Russian |
| container_title |
Современная электрометаллургия |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Diffusion barrier layer for high-temperature protective coatings |
| description |
Исследовано влияние диффузионных барьерных слоев, полученных путем электронно-лучевого осаждения антрацена и хрома, на химический состав, микроструктуру, микротвердость и адгезию конденсационных покрытий NiAl толщиной 40 мкм, нанесенных на образцы из жаропрочных сплавов ЭП-99 и CMSX-4. Отмечено, что на поверхности жаропрочного сплава в процессе термической обработки при 1080 °С в течение 2 ч формируется диффузионный барьерный слой толщиной около 5 мкм из карбидов преимущественно на основе вольфрама при нанесении слоя углерода и из карбидов на основе хрома при нанесении слоя хрома и углерода. В процессе последующей высокотемпературной выдержки в течение 10 ч при 1080 оС карбиды вольфрама сферической формы в зоне диффузионного барьерного слоя укрупняются до 1,5 мкм, а карбиды хрома выделяются в виде цепочки пластин длиной до 6 мкм. Показано позитивное влияние диффузионно барьерного слоя на замедление диффузии алюминия в жаропрочный сплав и тугоплавких элементов (W, Ta, Re) из жаропрочного сплава в покрытие. Установлено, что нанесение диффузионного барьерного слоя не ухудшает адгезию покрытий NiAl как в состоянии после осаждения, так и после термической обработки. Отмечено, что термоциклическая долговечность термобарьерного покрытия NiAl/ZrO₂–8 % Y₂O₃ повышается на 25 % при использовании диффузионно барьерного слоя из углерода.
The effect of diffusion barrier layers, produced by electron beam deposition of anthracene and cromium, on chemical composition, microstrucutre, microhardness and adhesion of condensation coatings NiAl of 40 μm thickness, deposited on samples of high-temperature alloys EP-99 and CMSX-4 was investigated. It was noted that on the surface of hightemperature alloy during heat treatment at 1800 °C for 2 h a diffusion barrier layer of thickness of about 5 μm of carbides mainly on the base of tungsten at deposition of carbon layer and of carbides on the base of chromium at deposition of layer of chromium and carbon is formed. In the process of the next high-temperature holding during 10 h at 1080 оC the tungsten carbides of a spherical shape in the zone of diffusion barrier layer are enlarged up to 1.5 μm, and chromium carbides are precipitated in the form of chain of plates of up to 6 μm length. The positive effect of diffusion barrier layer on delay of diffusion of aluminium into high-temperature alloy and refractory elements (W, Ta, Re) of high-temeprature alloy into coating is shown. It was found that the deposition of diffusion barrier layer does not deteriorate the adhesion of coatings NiAl both in as-deposited state, and also after heat treatment. It was noted that thermal cyclic life of the thermal barrier coating NiAl/ZrO₂–8 % Y₂O₃ is increased by 25 % at using the diffusion barrier
layer of carbon.
|
| issn |
0233-7681 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/132801 |
| citation_txt |
Диффузионный барьерный слой для высокотемпературных защитных покрытий / К.Ю. Яковчук, А.В. Микитчик, Ю.Э. Рудой, А.О. Ахтырский // Современная электрометаллургия. — 2016. — № 4 (125). — С. 36-44. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT âkovčukkû diffuzionnyibarʹernyisloidlâvysokotemperaturnyhzaŝitnyhpokrytii AT mikitčikav diffuzionnyibarʹernyisloidlâvysokotemperaturnyhzaŝitnyhpokrytii AT rudoiûé diffuzionnyibarʹernyisloidlâvysokotemperaturnyhzaŝitnyhpokrytii AT ahtyrskiiao diffuzionnyibarʹernyisloidlâvysokotemperaturnyhzaŝitnyhpokrytii AT âkovčukkû diffusionbarrierlayerforhightemperatureprotectivecoatings AT mikitčikav diffusionbarrierlayerforhightemperatureprotectivecoatings AT rudoiûé diffusionbarrierlayerforhightemperatureprotectivecoatings AT ahtyrskiiao diffusionbarrierlayerforhightemperatureprotectivecoatings |
| first_indexed |
2025-11-25T23:07:42Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:07:42Z |
| _version_ |
1850578683465564160 |
| fulltext |
36 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (125), 2016
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 669.187.526.001.5
ДИффУЗИОННЫй БАРьЕРНЫй СЛОй
ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАщИТНЫХ ПОКРЫТИй*
К. Ю. Яковчук, А. В. Микитчик, Ю. Э. Рудой, А. О. Ахтырский
Государственное предприятие «Международный центр электронно-лучевых технологий
Института электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины».
03680, г. Киев-150, ул. Горького (Антоновича), 68. E-mail: mykytchyk@paton-icebt.kiev.ua
Исследовано влияние диффузионных барьерных слоев, полученных путем электронно-лучевого осаждения ан-
трацена и хрома, на химический состав, микроструктуру, микротвердость и адгезию конденсационных покры-
тий NiAl толщиной 40 мкм, нанесенных на образцы из жаропрочных сплавов ЭП-99 и CMSX-4. Отмечено, что
на поверхности жаропрочного сплава в процессе термической обработки при 1080 оС в течение 2 ч формирует-
ся диффузионный барьерный слой толщиной около 5 мкм из карбидов преимущественно на основе вольфрама
при нанесении слоя углерода и из карбидов на основе хрома при нанесении слоя хрома и углерода. В процессе
последующей высокотемпературной выдержки в течение 10 ч при 1080 оС карбиды вольфрама сферической
формы в зоне диффузионного барьерного слоя укрупняются до 1,5 мкм, а карбиды хрома выделяются в виде
цепочки пластин длиной до 6 мкм. Показано позитивное влияние диффузионно барьерного слоя на замедление
диффузии алюминия в жаропрочный сплав и тугоплавких элементов (W, Ta, Re) из жаропрочного сплава в по-
крытие. Установлено, что нанесение диффузионного барьерного слоя не ухудшает адгезию покрытий NiAl как
в состоянии после осаждения, так и после термической обработки. Отмечено, что термоциклическая долговеч-
ность термобарьерного покрытия NiAl/ZrO2–8 % Y2O3 повышается на 25 % при использовании диффузионно
барьерного слоя из углерода. Библиогр. 10, табл. 3, ил. 10.
К л ю ч е в ы е с л о в а : диффузионный барьерный слой; электронно-лучевое испарение; высокотемператур-
ные жаростойкие покрытия NiAl; жаропрочные сплавы ЭП-99 и CMSX-4; диффузионная зона; карбидные
прослойки
Ключевой характеристикой высокотемператур-
ных защитных покрытий является их термическая
стабильность, т. е. способность покрытия сохра-
нять неизменным свой химический состав и физи-
ко-механические свойства длительное время при
повышенной температуре.
Совершенствование существующих и раз-
работка новых вариантов защитных покрытий
(жаростойких, коррозионностойких, термоба-
рьерных) для газотурбостроения обусловлены по-
стоянно растущими требованиями к повышению
уровня температуры эксплуатации, сроку службы
и, соответственно, термической стабильности та-
ких покрытий. Одним из перспективных направ-
лений, позволяющим обеспечить выполнение этих
требований, является разработка и использование
диффузионных барьерных слоев (ДБС), обеспе-
чивающих замедление взаимодиффузии между
материалом покрытия и защищаемым сплавом–
подложкой [1, 2]. Создание термически стабиль-
ной системы сплав–защитное покрытие может
повысить эксплуатационную долговечность за
счет ограничения взаимодиффузии химических
элементов, стабилизации структуры и фазового
состава. В случае жаростойких алюминидных по-
крытий, которые наносятся на детали, изготовлен-
ные из никелевых жаропрочных сталей, основной
задачей является торможение диффузии алюми-
ния из покрытия и подавление диффузии химиче-
ских элементов жаропрочного сплава (в первую
очередь таких как Ta, W, Ti, Mo, Re, которые сни-
жают жаростойкость, коррозионную стойкость и
могут образовывать охрупчивающие фазы) в по-
крытие [1–3].
Для использования в качестве ДБС предпочте-
ние имеют материалы, обеспечивающие: замед-
ление диффузии алюминия и других элементов
между покрытием и жаропрочным сплавом; со-
хранение относительной стабильности при вы-
сокой температуре в течение продолжительного
времени; хорошую термо-механическую совме-
стимость с жаропрочным сплавом и покрытием;
относительно невысокую стоимость как самих
материалов, так и технологии их нанесения в виде
барьерного слоя.
Наибольшее распространение в качестве ДБС,
используемого между высокотемпературным жа-
ростойким покрытием и защищаемым жаропроч-
*Авторы статьи выражают благодарность за оказанную помощь в ходе проведения исследований В. В. Трохимченко,
С. М. Романенко.
© К. Ю. ЯКОВЧУК, А. В. МИКИТЧИК, Ю. Э. РУДОй, А. О. АХТЫРСКИй, 2016
37ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (125), 2016
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
ным сплавом, получили слои (прослойки или
зоны) из карбидов на основе Cr, Ti, Nb, а также
слои, содержащие тугоплавкие металлы (W, Re,
Ta) [3–6]. Для нанесения подобных барьерных
слоев в настоящее время используют физические
и химические методы осаждения покрытий и при
этом операция нанесения жаростойкого покрытия
на барьерный слой является отдельным техно-
логическим процессом, что увеличивает время и
стоимость процесса нанесения покрытия [1–6].
Более предпочтительным вариантом является
совмещение процесса нанесения барьерных слоев
(зон) и многослойного жаростойкого покрытия в
одном технологическом цикле [7]. Многотигель-
ные испарители современных электронно-луче-
вых установок позволяют испарять и осаждать
различные комбинации органических и неорга-
нических материалов в одном технологическом
цикле, при этом обеспечивается возможность син-
теза на поверхности подложки барьерного слоя
заданного состава и структуры [8, 9]. В работе
[9] показана возможность получения ДБС путем
испарения органического соединения антраце-
на C14H10 (температура плавления 218 оС). Этот
углеводород полностью разлагается при нагреве
и испарении, осаждаясь на поверхность подлож-
ки в виде тонкого слоя углерода, который после
осаждения жаростойкого слоя и последующей
термической обработки взаимодействует с карби-
дообразующими элементами жаропрочного спла-
ва, образуя диффузионный барьерный слой (зону)
из карбидов типа МеxCy.
В настоящей работе исследовали структуру
и свойства жаростойких покрытий NiAl и NiAl/
ZrO2–8 % Y2O3, ДБС на основе карбидов, полу-
ченные на поверхности жаропрочного сплава
(подложки) путем испарения антрацена и хрома/
антрацена в одном технологическом цикле нане-
сения покрытия способом электронно-лучевого
испарения и конденсации в вакууме (EB-PVD).
Объекты и техника эксперимента. В качестве
объекта исследований использовали образцы
(подложки) жаропрочных никелевых сплавов в
виде пластин размером 120×10×1,5 мм и шайб ди-
аметром 12,7 и толщиной 4 мм (табл. 1).
Нанесение жаростойких покрытий на основе
NiAl с различными вариантами ДБС на основе кар-
бидов производили на электронно-лучевой уста-
новке типа УЭ-202 из многотигельного карусельно-
го испарителя, в котором располагали испаряемые
материалы и осуществляли их последовательное
испарение (табл. 2) [8]. Кассету с образцами, вра-
щающуюся со скоростью 25 об/мин, располага-
ли над тиглем карусельного испарителя. Образцы
нагревали электронным лучом до заданной тем-
пературы, которую контролировали с помощью
хромель-алюмелевой термопары, установленной
внутри образца-свидетеля, с погрешностью ±10 оС.
При нанесении покрытий по одностадийному про-
цессу в вариантах 2 и 3 испаряли прессованные та-
блетки антрацена массой 20 г. Время их испарения
составило 6…7 мин, температура образцов в про-
цессе испарения антрацена — 770…800 оС. Жаро-
стойкое покрытие NiAl осаждали путем испарения
предварительно сплавленной таблетки Ni–48 % Al
(здесь и далее по тексту приведены мас. %) массой
120 г из водоохлаждаемой медной лунки, темпе-
ратура образцов в процессе испарения составля-
ла 870...900 оС, время испарения — 18 мин. При
нанесении покрытия по варианту 3 на предвари-
тельно нагретую подложку осаждали слой хрома
путем испарения навески Cr марки ЭРХ-1 массой
6 г в течение 3…5 мин при температуре подложки
770…800 оС. На часть образцов поверх жаростой-
кого слоя NiAl наносили внешний керамический
слой ZrO2–8 % Y2O3 толщиной 130…140 мкм по
традиционной технологии [9].
Нанесение покрытий на сплав CMSX-4 про-
водили по многостадийной технологии: ДБС
осаждали на группу образцов в отдельном тех-
нологическом процессе, после чего к этой группе
добавляли группу исходных образцов (без ДБС)
и на них одновременно наносили покрытие NiAl.
Таким образом, на всех образцах сплава CMSX-4
(с ДБС и без) покрытие NiAl наносили в одном
эксперименте одинаковой толщины и состава.
Описание исследованных вариантов покрытий
представлено в табл. 2.
Т а б л и ц а 1 . Химический состав исследованных жаропрочных сплавов, мас. %
Тип сплава Ni Cr Co Mo W Ta Re Nb Al Ti Hf Fe
ЭП99 (ХН50МВКТЮР) Основа 17,5…19,5 5…8 3,5…5,0 5,5…7,0 – – ≤1,5 2,5…3,0 1,0…1,5 – ≤3
CMSX-4 » 6,5 9 0,6 6 6,5 3 – 5,6 1,0 0,1 –
Т а б л и ц а 2 . Варианты исследованных покрытий
Ва-
риант Подложка
Слой
диффу-
зионный
барьерный
жаро-
стойкий
внешний
керами-
ческий
1 ЭП99 – NiAl –
2 ЭП99 C14H10 NiAl –
3 ЭП99 Cr+C14H10 NiAl –
4 CMSX-4 – NiAl ZrO2–8 % Y2O3
5 CMSX-4 C14H10 NiAl ZrO2–8 % Y2O3
38 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (125), 2016
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
Порезку образцов для металло-
графических исследований осущест-
вляли абразивным кругом толщиной
1 мм с водяным охлаждением, под-
готовку шлифов — по стандартной
методике. Металлографические ис-
следования проводили на образцах в
состоянии после осаждения, а также
после вакуумной термической обра-
ботки (ВТО) в вакуумной электропе-
чи сопротивления типа СНВ-2.4.2/16
при температуре 1080 оС и давлении
остаточных газов (1,33…2,66)∙10–2 Па
в течение 2, 10 и 300 ч.
Толщину и микротвердость от-
дельных слоев покрытия в попереч-
ном сечении шлифа определяли с
помощью оптического микроско-
па Polyvar-Met и приставки Micro-
Duromat 4000E с фиксированными скоростью на-
гружения и временем выдержки при нагрузке 20 г.
Структуру образцов исследовали на растровом
электронном микроскопе (РЭМ) Tescan Vega 3 в
режиме фазового контраста. Элементный состав
определяли с помощью рентгеноспектрального
микроанализатора Link Pentafet к РЭМ CamScan 4D
и программным обеспечением INCA Energy 200.
Погрешность измерений составила ±0,3 % (кроме
углерода, содержание которого определяли ми-
кроанализатором с завышением концентрации).
Использовали данные по содержанию химиче-
ских элементов, полученные как в локальных точ-
ках, так и на участках площадью 10 мкм2.
Фазовый состав определяли с использовани-
ем просвечивающей электронной микроскопии
(ПЭВ) на приборе Н-800 (Hitachi) при энергии
ускоренных электронов 200 кэВ. Подготовку
фольг осуществляли по стандартной методике,
конечным этапом которой было ионное утонение.
Адгезию покрытий оценивали путем изгиба
плоских образцов-пластин (в состоянии после
осаждения покрытия и после вакуумного отжига
при 1080 оС в течение 2 ч) на оправке радиусом
3 мм с углом загиба 90о. В результате адгезия по-
крытия — удовлетворительная, на наружном ради-
усе образца нет отслоений, сколов, вспучиваний.
Наличие ряда или сетки микротрещин, параллель-
ных линии изгиба — в пределах допустимого.
Исследования термоциклической долговечно-
сти внешнего керамического слоя покрытий NiAl/
ZrO2–8 % Y2O3 проводили путем печных цикличе-
ских испытаний образцов-шайб (испытывали по 3
образца каждого варианта покрытия) на воздухе
по режиму: нагрев в течение 7 мин до 1150 оС, вы-
держка при этой температуре — 45 мин, охлажде-
Рис. 1. Микроструктура покрытия NiAl на жаропрочном сплаве ЭП-99 после
осаждения
Рис. 2. Распределение основных химических элементов по
толщине покрытия NiAl на сплаве ЭП-99 после осаждения:
а — без ДБС; б — с ДБС из C14H10; в — с ДБС из Cr + C14H10
39ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (125), 2016
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
ние до 50...60 оС в течение 8 мин. Испытания пре-
кращали при отслоении внешнего керамического
слоя с 30 % поверхности образца.
Результаты и их обсуждение. На рис. 1 и 2, а пред-
ставлены соответственно микроструктура покрытия
NiAl на сплаве ЭП-99 (вариант 1) и распределение
Рис. 3. Микроструктура ДБС различных вариантов покрытий на сплаве ЭП-99 на границе раздела слоя NiAl и внешней диф-
фузионной зоны после осаждения: а — без ДБС; б — с ДБС из C14H10; в — с ДБС из Cr + C14H10
Рис. 4. Микроструктура различных вариантов покрытия NiAl на сплаве ЭП-99 (а–в) и ДБС на границе раздела слоя NiAl
и внешней диффузионной зоны (г–и) после ВТО при 1080 оС в течение 2 ч: а, г, ж — без ДБС; б, д, з — с ДБС из C14H10;
в, е, и — с ДБС из Cr + C14H10
40 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (125), 2016
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
основных химических элементов по толщине по-
крытия в состоянии после осаждения. Следует отме-
тить, что все варианты покрытия (включая варианты
с ДБС) имели идентичную микроструткуру. Харак-
терной особенностью является наличие нескольких
четко различимых слоев (зон) в покрытии, появле-
ние которых обусловлено фракционированием па-
рового потока при испарении таблетки NiAl за счет
различия в упругости пара алюминия и никеля в ва-
кууме. Это приводит к тому, что в начале испарения
таблетки NiAl паровой поток обогащен алюминием,
который конденсируется на поверхности нагретой
подложки и диффузионно насыщает поверхность
жаропрочного сплава ЭП99, формируя внутреннюю
(с образованием в ней карбидов различного типа на
основе W, Mo, Cr, Ti) и внешнюю (алюминид, содер-
жащий около 30 % Al) диффузионные зоны толщи-
ной около 5 и 40 мкм соответственно. Поверх внеш-
ней диффузионной зоны расположен однородный по
структуре и составу слой Ni–28…9 % Al толщиной
около 26 мкм, выше которого располагаются два
слоя общей толщиной 14 мкм, в которых содержа-
ние никеля градиентно увеличивается до 75…80 %.
Повышение никеля в поверхностных слоях покры-
тия обусловлено тем, что в завершающей фазе на-
несения покрытия в остатке испаряющейся таблетки
NiAl содержание алюминия снижается, а никеля —
увеличивается. Формирование двух четко различимых
поверхностных слоев в покрытии вероятно связано с
преобладанием в них Ni3Al и Ni.
Формирующаяся микроструктура покрытия
во многом аналогична микроструктуре алюми-
нидных покрытий, полученных диффузионным
насыщением [10], содержащих фазу b-NiAl и мно-
гочисленные выделения различных карбидных и
интерметаллидных фаз во внутренней и внешней
диффузионных зонах.
На рис. 3 приведены микроструктура ДБС раз-
личных вариантов покрытий на границе раздела
слоя NiAl и внешней диффузионной зоны в со-
стоянии после осаждения. В результате испаре-
ния антрацена и осаждения слоя углерода перед
началом испарения алюминида никеля формиру-
ется зона, содержащая цепочку вытянутых пор.
В примыкающей к ДБС внешней диффузионной
зоне наблюдается появление фаз с повышенным
содержанием вольфрама до 28 % (рис. 3, б). При
осаждении хрома и антрацена микроструктура
этой зоны состоит из двух слоев, один из которых
имеет повышенное содержание хрома (рис. 3, в).
При этом структура внешнего диффузионного
слоя и уровень содержания вольфрама в нем ана-
логичны структуре покрытия без ДБС.
Микрорентгеноспектральные исследования
показали, что содержание углерода на границе
раздела NiAl/внешняя диффузионная зона в вари-
антах покрытий, полученных с испарением антра-
цена, находилось на уровне 28...30 %, а в образце
без ДБС — на уровне 1 % (фон). Содержание хро-
ма, который выделялся в виде тонкого слоя тол-
щиной 0,5 мкм, в ДБС Cr + C14H10 достигало 30 %.
В результате ВТО при 1080 оС в течение 2 ч ми-
кроструктура покрытия NiAl становится более го-
могенной за счет диффузионных процессов, кото-
рые выравнивают распределение никеля (68 %) и
алюминия (27 %) во внешнем слое покрытия тол-
щиной около 40 мкм (рис. 4). Происходит также
увеличение толщины внутренней и внешней диф-
фузионных зон до 13 и 37 мкм соответственно. В
варианте покрытия с ДБС из хрома и антрацена
отмечено укрупнение карбидных фаз, выделяю-
щихся во внутренней диффузионной зоне и увели-
Рис. 5. Распределение основных химических элементов по
толщине покрытия NiAl на сплаве ЭП-99 после после ВТО
при 1080 оС в течение 2 ч : а — без ДБС; б — с ДБС из C14H10;
в — с ДБС из Cr + C14H10
41ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (125), 2016
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
чение толщины этой зоны до 20 мкм. Изменения
в распределении основных химических элементов
по толщине исследованных покрытий на спла-
ве ЭП-99 после вакуумного отжига в течение 2 ч
представлены на рис. 5.
Следует отметить, что в варианте покрытия с
ДБС из антрацена во внешней диффузионной зоне
происходит выделение мелких карбидных фаз на
основе вольфрама размером 0,2...0,3 мкм (яркие
светлые точки на рис. 4, з). В случае ДБС из хро-
ма и антрацена эти выделения отсутствуют, на-
блюдается лишь увеличение количества и размера
(до 2 мкм) карбидных фаз на основе хрома в зоне,
примыкающей к ДБС (рис. 4, и).
Микроструктура покрытий на образцах после
отжига в вакууме в течение 10 ч приведена на
рис. 6.
Увеличение времени высокотемпературной
выдержки до 10 ч во всех вариантах покрытий
приводит: к увеличению толщины внутренней
диффузионной зоны и укрупнению содержащих-
ся карбидных и интерметаллидных фаз (рис. 6);
снижению содержания алюминия в слое NiAl до
20 % за счет его диффузии в жаропрочный сплав
(рис. 7). Более заметными становятся различия
микроструктуры на границе раздела внешней
диффузионной зоны и слоя NiAl (в зоне ДБС). В
покрытии без ДБС наблюдаются равномерно рас-
пределенные выделения карбидов вольфрама и
хрома сферической формы диаметром до 1,5 мкм
(рис. 6, а). В покрытии с ДБС из антрацена форми-
руются крупные карбиды вольфрама как вытяну-
тые вдоль ДБС паралельно подложке цепочки пла-
стинчатых карбидов длиной до 6 мкм, так и в виде
Рис. 6. Микроструктура различных вариантов покрытий NiAl на сплаве ЭП-99 (а–в) и ДБС на границе раздела слоя NiAl и
внешней диффузионной зоны (г–и) после ВТО при 1080 оС в течение 10 ч: а, г, ж — без ДБС; б, д, з — с ДБС из C14H10;
в, е, и — с ДБС из Cr + C14H10
42 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (125), 2016
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
сферических частиц под ДБС размером 2...5 мкм
(рис. 6, б). В покрытии с ДБС из хрома и антра-
цена образуется характерная цепь пластинок длиной
до 2…4 мкм из карбидов Cr23C6, частицы карбида
вольфрама сферической формы имеют размер не бо-
лее 2…3 мкм и при этом их количество аналогично
количеству этих карбидов в покрытии без ДБС.
Полученные результаты свидетельствуют, что в
случае нанесения ДБС из слоя углерода (при испа-
рении антрацена) на сплаве ЭП-99 в процессе вы-
сокотемпературной выдержки происходит образо-
вание и рост преимущественно крупных карбидов
на основе вольфрама, которые имеют вытянутую
пластинчатую форму в зоне ДБС и сферическую
во внешней диффузионной зоне.
В случае осаждения ДБС из хрома и углерода
происходит образование и рост, в основном, кар-
бидов Cr23C6, которые имеют пластинчатую фор-
му и располагаются вдоль ДБС. Формирование и
рост карбидов вольфрама происходит также, как и
в покрытии без ДБС.
В табл. 3 приведены результаты измерения ми-
кротвердости различных участков исследованных
вариантов покрытия NiAl на сплаве ЭП-99, которые
демонстрируют снижение микротвердости как слоя
NiAl, так и диффузионных зон покрытия. Происхо-
дит это за счет снижения содержания алюминия в
результате его диффузии из покрытия в жаропроч-
ный сплав, а также за счет укрупнения карбидных и
интерметаллидных фаз в диффузионных зонах.
На рис. 8 приведены результаты измерения со-
держания алюминия в сплаве ЭП-99 на различном
расстоянии от поверхности слоя NiAl исследо-
ванных вариантов покрытий после их отжига при
1080 оС в течение 10 ч.
Полученные результаты показывают, что в
случае покрытий с ДБС содержание алюминия
на 0,5...1,0 % меньше, чем в покрытии без ДБС.
Также установлено, что содержание алюминия в
слое NiAl после 10 ч отжига в образцах с ДБС на
2 и 2,5 % выше в варианте 2 и 3 соответственно,
чем в образце без ДБС. Полученные результаты сви-
Рис. 7. Распределение основных химических элементов по
толщине покрытия NiAl на сплаве ЭП-99 после ВТО при
1080 оС в течение 10 ч: а — без ДБС; б — с ДБС из C14H10;
в — с ДБС из Cr+C14H10
Рис. 9. Распределение основных химических элементов в по-
крытии NiAl на жаропрочном сплаве CMSX-4 после отжига
на воздухе при 1080 оС в течение 300 ч на образце без ДБС:
1 (Al); 3 (Ta); 5 (W); 7 (Re) и с ДБС: 2 (Al); 4 (Ta); 6 (W); 8 (Re)
Рис. 8. Изменение содержания алюминия в жаропрочном
сплаве ЭП-99 после вакуумного отжига при 1080 оС в течение
10 ч: 1 — без ДБС; 2 — с ДБС из C14H10; 3 — с ДБС из Cr +
+ C14H10
43ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (125), 2016
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
детельствуют о замедлении диффузии алюминия из
слоя NiAl в подложку благодаря присутствию ДБС.
Для подтверждения достоверности получен-
ных результатов были также исследованы вариан-
ты покрытий 4 и 5 на сплаве CMSX-4, на которых
слой алюминида никеля нанесли в одном экспери-
менте после изотермической выдержки на воздухе
при 1080 оС в течение 300 ч.
Результаты исследования распределения ос-
новных химических элементов по сечению образ-
цов с ДБС и без ДБС представлены на рис. 9.
Установлено, что содержание алюминия в слое
NiAl на образце с ДБС на 1,0…1,2 % выше, чем
в образце без ДБС. Благодаря присутствию ДБС
проникновение тугоплавких элементов из жаро-
прочного сплава в слой NiAl тормозилось. Со-
держание Ta и Re в слое NiAl на 1,7…2,0 % ниже,
чем в образце без ДБС. Ванадий в слое NiAl от-
сутствовал, а в слое NiAl без ДБС его содержание
достигало уровня 2,0 %. Результаты микрострук-
турных исследований показали, что в случае на-
несения ДБС средний размер зерен алюминида
никеля во внешней диффузионной зоне снижается
с 25…30 мкм (в образце без ДБС) до 8…10 мкм.
При этом количество выделившихся карбидов на
основе вольфрама размером 1…2 мкм увеличива-
ется примерно в 2 раза (рис. 10).
По результатам исследования термоцикли-
ческой долговечности покрытий NiAl/ZrO2–8 %
Y2O3 на образцах жаропрочного сплава CMSX-4
установлено, что применение ДБС из антрацена
обеспечивает повышение среднего уровня термо-
циклической долговечности на 25 % по сравнению
с образцами без ДБС. Во всех образцах отслоение
внешнего керамического слоя вместе со слоем ок-
сида алюминия, так называемого TGO (thermally
grown oxide), который растет в процессе окисле-
ния поверхности алюминида никеля, происходит
по границе раздела NiAl/TGO при достижении
слоя TGO толщины 7…8 мкм.
Наиболее вероятной причиной увеличения тер-
моциклической долговечности покрытий с ДБС
является, в первую очередь, замедление диффузии
тугоплавких элементов к TGO и более высокий
Т а б л и ц а 3 . Микротвердость (Нμ, ГПа) исследованных вариантов покрытия NiAl на сплаве ЭП-99
Вариант покрытия ЭП-99
Диффузионная зона
Зона ДБС
Слой
внутренняя внешняя NiAl поверхностный
NiAl
Вариант 1:
после осаждения 4,12 5,78 8,4 – 6,35 3,75
после ТО (1080 оС, 2 ч) 4,05 10,9 4,91 – 4,98 –
после ТО (1080 оС, 10 ч) 3,95 12,04 4,58 – 4,23 –
Вариант 2:
после осаждения 3,91 6,47 7,6 7,24 5,82 3,24
после ТО (1080 оС, 2 ч) 3,92 10 4,85 4,80 4,52 –
после ТО (1080 оС, 10 ч) 4,24 11,14 4,59 4,94 4,45 –
Вариант 3:
после осаждения 4,25 6,37 9,8 9,31 7,22 3,14
после ТО (1080 оС, 2 ч) 4,35 11,3 6,44 6,12 4,39 –
после ТО (1080 оС, 10 ч) 3,59 12,4 4,91 5,02 4,47 –
Рис. 10. Микроструктура границы раздела слоя NiAl и внешней диффузионной на жаропрочном сплаве CMSX-4 после отжига
на воздухе при 1080 оС в течение 300 ч: а — без ДБС; б — с ДБС из C14H10
44 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (125), 2016
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ
уровень содержания алюминия в слое NiAl (сниже-
ние напряжениий в покрытии за счет меньшей раз-
ницы в ТКЛР покрытия и жаропрочного сплава).
Проведенные адгезионные испытания иссле-
дованных покрытий на образцах из сплава ЭП-99
как в исходном состоянии, так и после вакуумной
термообработки продемонстрировали высокий
уровень адгезии для всех вариантов покрытий.
Выводы
1. Подтверждена целесообразность и эффектив-
ность использования углеродсодержащих органи-
ческих соединений типа антрацена для создания
ДБС путем их электронно-лучевого испарения и
осаждения на поверхность жаропрочных сплавов
при нанесении высокотемпературных покрытий
NiAl за один технологический цикл.
2. Установлено, что замедление взаимодиффу-
зии основных химических элементов в системе
жаропрочный сплав–покрытие NiAl происходит
за счет формирования прослойки толщиной око-
ло 5 мкм с увеличенным количеством преимуще-
ственно карбидов вольфрама (в случае осаждения
слоя углерода) и пластинчатоподобных карбидов
хрома Cr23C6 (в случае последовательного осажде-
ния слоев хрома и углерода).
3. Установлено, что нанесение ДБС из углерода
на образцы из жаропрочного сплава CMSX-4 по-
зволяет: сохранить содержание алюминия в слое
NiAl толщиной 40 мкм на уровне 18,6…19,0 %
после 300 ч отжига на воздухе при 1080 оС, в то
время как содержание алюминия в слое NiAl на
образце без ДБС на 1,0…1,2 % ниже. При этом
уровни содержания W, Ta, Rе в слое NiAl в покры-
тии с диффузионным барьерным слоем снижают-
ся на 1,5…2,0 %; замедлить скорость роста зерен
алюминида никеля во внешней диффузионной
зоне в процессе высокотемпературной выдержки
в 2,5...3 раза; повысить долговечность конденса-
ционных термобарьерных покрытий NiAl/ZrO2–
8 % Y2O3 на 25 %.
Нанесение ДБС не приводит к ухудшению ад-
гезии покрытий.
1. High-temperature diffusion barriers for protective coatings /
J. A. Haynes, Y. Zhang, K. M. Cooley [et al.] // Surface and
coatings technology. — 2004. — 188–189. — P. 153–157.
2. Improvement of the oxidation resistance of the single-crystal
Ni-based TMS-82 + superalloy by Ni–Al coatings with/without
diffusion barrier / Y. Wu, X. W. Li, G. M. Song [et al.] //
Oxidation of metals. — 2010. — 74, № 5. — P. 287–303.
3. Разработка состава коррозионностойкого защитного по-
крытия и способа его нанесения на отливки из жаропроч-
ных никелевых сплавов / В. В. Кононов, О. В. Гнатенко,
С. В. Гайдук, В. В. Наумик // Вестник двигателестрое-
ния. — 2013. — № 1. — С. 133–138.
4. Ачимов А. А. Исследование жаростойкого диффузионного
покрытия на лопатках газотурбинных двигателей из жа-
ропрочного никелевого сплава / А. А. Ачимов, И. М. Тол-
мачев, С. Ю. Удовиченко // Вестник Тюменского государ-
ственного университета. Физико-математические науки.
Информатика. — 2014. — № 7. — С. 105–111.
5. Formation of a rhenium-base diffusion-barrier coating
system on Ni-base single crystal superalloy and its stability
at 1423 K / D. Simoyama, K. Zaini, T. Nishimoto [et al.] //
Оxidation of metals. — 2007. — 68, № 5. — P. 313–329.
6. Development of a NiW in-situ diffusion barrier of a forth
generation nickel-base superalloy / E. Cavaletti, S. Mercier,
D. Boivin [et al.] // Material Science Forum. — 2008. — 595–
598. — P. 23–32.
7. Movchan B. A. Graded thermal barrier coatings, deposited
by EB-PVD / B. A. Movchan, K. Yu. Yakovchuk //
Surface&Coatings Technology. — 2004. — 188–189. —
P. 85–92.
8. Мовчан Б. А. Электронно-лучевые установки для испа-
рения и осаждения неорганических материалов и покры-
тий / Б. А. Мовчан, К. Ю. Яковчук. // Современная элек-
трометаллургия. — 2004. — № 2. — С. 10–15.
9. Яковчук К. Ю. Одностадийная электронно-лучевая тех-
нология осаждения термобарьерных градиентных покры-
тий / К. Ю. Яковчук, Ю. Э. Рудой // Современная электро-
металлургия. — 2003. — № 2. — С. 10–16.
10. Коломыцев П. Т. Высокотемпературные защитные покры-
тия для никелевых сплавов / П. Т. Коломыцев. — М.: Ме-
таллургия, 1991. — 237 с.
The effect of diffusion barrier layers, produced by electron beam deposition of anthracene and cromium, on chemical
composition, microstrucutre, microhardness and adhesion of condensation coatings NiAl of 40 μm thickness, deposited
on samples of high-temperature alloys EP-99 and CMSX-4 was investigated. It was noted that on the surface of high-
temperature alloy during heat treatment at 1800 оC for 2 h a diffusion barrier layer of thickness of about 5 μm of
carbides mainly on the base of tungsten at deposition of carbon layer and of carbides on the base of chromium at
deposition of layer of chromium and carbon is formed. In the process of the next high-temperature holding during 10 h
at 1080 оC the tungsten carbides of a spherical shape in the zone of diffusion barrier layer are enlarged up to 1.5 μm,
and chromium carbides are precipitated in the form of chain of plates of up to 6 μm length. The positive effect of
diffusion barrier layer on delay of diffusion of aluminium into high-temperature alloy and refractory elements (W, Ta,
Re) of high-temeprature alloy into coating is shown. It was found that the deposition of diffusion barrier layer does
not deteriorate the adhesion of coatings NiAl both in as-deposited state, and also after heat treatment. It was noted that
thermal cyclic life of the thermal barrier coating NiAl/ZrO2–8 % Y2O3 is increased by 25 % at using the diffusion barrier
layer of carbon. Ref.10, Tables 3, Figures 10.
K e y w o r d s : diffusion barrier layer, electron beam evaporation, high-temperature heat resistant coatings NiAl;
high-temperature alloys EP-99 and CMSX-4; diffusion zone; carbide interlayers
Поступила 26.07.2016
|