ФОРМИРОВАНИЕ ЖАРОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ СПЛАВОВ Ni-Al

Химухин Сергей Николаевич

профессор, д-р техн. наук, заведующий лабораторией, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук,

 г. Хабаровск

e-mail: ximyxin@yandex.ru

Астапов Иван Александрович

канд. физ.-мат. наук, науч. сотр.,

 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

 Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук,

 г. Хабаровск

e-mail: immaterial_khv@mail.ru

Теслина Мария Александровна

канд. техн. наук, науч. сотр.,

 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

 Институт материаловедения Хабаровского научного центра

 Дальневосточного отделения Российской академии наук,

 г. Хабаровск

e-mail: mari_teslina@mail.ru

Безматерных Ксения Петровна

аспирант кафедры

 Компьютерного проектирования и сертификации машин,

 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования  «Тихоокеанский государственный университет»,

 г. Хабаровск

e-mail: bksenya_p@bk.ru

FORMATION OF HEAT-FASTNESS COATINGS ELECTROSPARK DEPOSITION BY USING INTERMETALLIC ALLOYS NI-AL

Sergei Khimukhin

Professor, Doctor of Technical Sciences, Institute for Materials Science, Russian Academy of Sciences

Ivan Astapov

PhD, Institute for Materials Science, Russian Academy of Sciences

Maria Teslina

PhD, Institute for Materials Science, Russian Academy of Sciences

Kseniya Bezmaternykh

graduate student, Pacific National University

АННОТАЦИЯ

Исследовано влияние состава синтезированных Ni-Al сплавов на формирование покрытий, полученных методом электроискрового легирования. Изучен фазовый состав покрытий, приведены результаты металлографии и испытаний на жаростойкость. Показано, что наибо­лее эффективен для создания жаростойких покрытий синтезированный сплав состава Ni-66,9 % Al-32,9 %.

ABSTRACT

Effect of composition synthesised Ni-Al alloys on formation of the coverings gained by a method of an electrospark deposition is investigated. The phase composition of coverings is studied, results of a microscopic metallography and tests for refractoriness are resulted. It is shown that the synthesised alloy of composition Ni-66,9 of % Al-32,9 of % is most effective for creation of temperature-resistant coverings.

Ключевые слова: электроискровое легирование; интерметал­лидные сплавы; Ni-Al; жаростойкость

Keywords: electro-spark deposition; intermetallic alloys; Ni-Al; heat fastness

Введение

Сплавы на основе никеля широко применяются в газотурбинных двигателях и установках как материалы лопаток различных ступеней [1], а также в остальных отраслях машиностроения, где необходимы жаропрочные сплавы, работающие при нагрузках (растягивающих напряжениях) длительное время. Для увеличения срока службы таких ответственных деталей и узлов применяют различные методы, например легирование и микролегирование никелевых сплавов или создание на их поверхности функциональных (защитных) покрытий [3]. Одним из способов решения данной задачи является применение метода электроискрового легирования (ЭИЛ) [2], отличающегося низким энергопотреблением, возможностью примене­ния любых токопроводящих материалов и основанного на полярном массопереносе материала анода (легирующего электрода) на катод (деталь-заготовка). В настоящее время практически отсутствуют данные по исследованию процесса электроискрового легирования с применением электродных материалов из суперсплавов на основе никеля.

Таким образом, формирование на поверхности материалов, используемых в качестве лопаток ГТД, жаростойких покрытий является важной научно-практической задачей. В настоящей работе приводятся данные по исследованию электроискровых покрытий, полученных при использовании синтезированных электродных материалов Ni-Al различного элементного состава.

Методика и материалы.

В качестве электродных материалов для формирования покрытий использовались синтезированные интерметаллидные сплавы Ni-Al (табл. 1). Сплавы получены из алюминия и никеля высокой частоты методом литья в индукционной установке в защитной атмосфере.

Таблица 1.

Состав исходных сплавов

Для получения слоя методом ЭИЛ применялась установка «Элитрон-52Б». Легирование выполнялось в режиме: сила тока I=2,3 А, напряжение U=100 B, защитная среда — аргон. Для идентифи­цирование фаз, входящих в состав исходных материалов и покрытий, использовался дифрактометр ДРОН-7 (излучение: Cu_Kα, Ni-фильтр. U=40 kB, I=20 мА. 10<2Θ<120). Рентгенофлуоресцентный анализ выполнялся на установке «Спектроскан МАКС-GV» с использованием метода фундаментальных параметров. Термический анализ (для построения зависимостей ТГ/ДТА) проводился на установке «Derivatograph Q–1500D»: температура 900ºС, скорость 10º/мин, время выдержки 1 час. Металлографический анализ осуществлялся с помощью оптического (Planar Micro-200) и атомно-силового (Ntegra Prima) микроскопов.

Результаты и обсуждения

Электроискровое легирование производилось в инертной среде (аргон) для предотвращения возникновения оксидов в сформиро­ванном слое, которые образуются при взаимодействии алюминия (входящего в состав электрода) с кислородом воздуха при переносе расплавленного материала с анода на катод.

Отмечено, что при легировании электродом из сплава № 1 массоперенос минимален (рис. 1), адгезионное взаимодействие покрытия с основой мало и, соответственно, формирование покрытия необходимой сплошности не происходит.

Рисунок 1. Массоперенос при ЭИЛ сплавами Ni-Al в аргоне: 1 — Ni-33,5 % Al-66,3 %; 2 — Ni-57,9 % Al-41,9 %; 3 — Ni-66,9% Al-32,9%; 4 — Ni-79,3% Al-20,1%; 5 – Ni-83,5 % Al-16,4 %

При использовании сплава № 2 на поверхности формируется слой толщиной 40—70 мкм, однако значение коэффициента массопереноса относительно сплавов №№ 3 и 4 мало, что свидетель­ствует от низком адгезионном взаимодействии покрытия с основой. Наибольшие значения массопереноса получены при использовании сплавов №№ 3 и 4, покрытия обладают высокими значениями сплошности.

Металлографический анализ полученных покрытий показал, что при использовании электродных материалов с относительно низким содержанием никеля (сплавы № 1 и 2) образуется неравно­мерный по толщине слой, в котором наблюдаются проникающие трещины. Фрагментарность и хрупкость такого слоя не позволяет формировать жаростойкое покрытие нужного качества.

При увеличении содержания никеля в исходном легирующем материале (сплавы № 3, 4 и 5) образуется равномерный слой толщиной от 50 до 250 мкм (рис. 2). Трещины практически отсутствуют. Также замечено, что в зернах появляется субструктура в виде кристаллитов шириной 0,3—0,6 мкм.

Рисунок 2. Поперечное сечение слоя (а) и АСМ-изображение отдельного участка (б). Сплав Ni-33,5 % Al-66,3 %

Рентгенофазовый анализ покрытий, полученных при исполь­зовании сплава с низким содержанием никеля (Ni-33,5 % Al-66,3 %) и обработке в среде аргона, выявил, что образование интерметаллидов практически не происходит (рис. 3). При использовании сплавов № 2 и 3 (Ni-57,9 % Al-41,9 %; и Ni-66,9 % Al-32,9 % соответственно) в электроискровых покрытиях идентифицирована фаза NiAl, объемное содержание которой достаточно велико.

Рисунок 3. Дифрактограммы полученных покрытий. 1 — Ni-33,5 % Al-66,3 %; 2 — Ni-57,9 % Al-41,9 %; 3 — Ni-66,9 % Al-32,9 %; 4 — Ni-79,3 % Al-20,1 %; 5 — Ni-83,5 % Al-16,4 %

При этом, исходя из дифракционных данных, фаза обладает высокой степенью упорядоченности, в ней практически отсутствуют дефекты. При увеличении процентного соотношения никеля (сплавы № 4, 5), в покрытие образуется твердый раствор алюминия в никеле без заметной доли интерметаллидной фазы.

Все результаты сравнивались с термограммой исходного материала — стали 20Х13. Анализ полученных результатов показал, что наилучшим является покрытие из сплава, содержащего Ni — 66,9 % Al — 32,9 % (таблица 2). Для образца без покрытия характерен прирост массы до температуры нагрева 750ºС за счет образования окисного слоя на поверхности, а затем начинается процесс разрушения и удаления с поверхности окисного слоя.

Таблица 2.

Результаты термического анализа (T=900ºС, 10º/мин, выдержка 60 мин.)

Эти данные подтверждаются результатами металлографического анализа: покрытие, полученное при использовании сплава № 3, после испытаний на жаростойкость практически не подверглось коррозионному разрушению (рис. 4).

Рисунок 4. Микроструктура образцов после испытаний на жаростойкость. а — ЭИЛ покрытие Ni-66,9 % Al-32,9 %; б — ЭИЛ покрытие Ni-83,5 % Al-16,4 %

В тоже время остальные покрытия оказались менее эффектив­ными при испытании на жаростойкость — происходило либо полное, либо частичное разрушение защитного слоя.

Выводы

Установлено, что при электроискровом легировании сплавами определенного состава (сплавы № 2 и 3) в покрытие образуется интерметаллид NiAl, объемная доля которого позволяет повысить жаростойкость стали 20X13. Однако при использовании электродного материала из сплава № 2, формирование слоя сопровождается трещинообразованием и он является хрупким, что приводит в процессе термического влияния к практически полному разрушению слоя. Причиной разрушения покрытия, возможно, является разница в коэффициентах термического расширения покрытия и основы. Таким образом, показано, что при использовании сплавов Ni-Al для формирования жаростойкого покрытия, наиболее эффективен синтезированный сплав состава Ni-66,9 % Al-32,9 %.

Список литературы:

1.Братухин, А.Г. Российская энциклопедия CALS. Авиационно—космическое машиностроение / А.Г. Братухин, — М.: ОАО «НИЦ АСК». — 2008. — 608 с.

2.Верхотуров, А.Д. Формирование поверхностного слоя металлов при электроискровом легировании. — Владивосток: Дальнаука, 1995. — 323 с.

3.Каблов, Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия). / Е.Н. Каблов, — М.: «МИСИС». — 2001. — 632 с.