ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 6, с. 53-58
_ СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ^^^^^^^^^^
ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.245:612.793:548.735.6
КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКАЯ ТЕКСТУРА ЖАРОСТОЙКИХ АЛЮМИНИДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА НИКЕЛЕВОМ СПЛАВЕ
© 2004 г. С. Г. Хаштин
Московское машиностроительное производственное предприятие, объединение "Салют"
105118 Москва, пр. Буденного, 16 Поступила в редакцию 27.08.2002 г.; в окончательном варианте - 26.08.2003 г.
Изучена кристаллографическая текстура интерметаллидных диффузионных слоев №А1 и №3А1, образующихся на поверхности алитированной ленты с текстурой куба из никелевого сплава. Обнаружены различные типы текстур в зависимости от технологии нанесения покрытий: при насыщении из газовой фазы текстура слоя №А1 наследует тип ориентации подложки, тогда как при насыщении из конденсированного покрытия на основе А1 - тип текстуры конденсата. Соответственно получены ограниченная и аксиальная текстуры в слоях №А1. Текстура №3А1 всегда близка к текстуре подложки на основе N1. Предложены схемы сопряжения кристаллических решеток.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Для защиты никелевых сплавов от окисления широко используются покрытия на поверхности детали, как правило, на алюминидной основе. Обычно алитирование как процесс химико-термической обработки (ХТО) в комбинации с хромированием или силицированием (хромоалитиро-вание и алюмосилицирование соответственно) используется при изготовлении деталей, находящихся в особо тяжелых условиях эксплуатации, например, при температурах выше 1000°С [1].
В основном жаростойкость определяется составом алюминидных фаз. В системе №-А1 таких фаз четыре: А13№, А13№2, №А1 и №3А1. Практически в процессе алитирования реализуются три, а чаще две последние. Термодинамика и кинетика образования и роста диффузионных слоев при этой ХТО изучены на протяжении десятилетий [1, 2], тем не менее остаются неясными некоторые существенные аспекты механизма их роста. Так, свойства покрытий могут быть различны в зависимости от текстуры, поэтому ориентацион-ное соответствие интерметаллида (ИМ) и исходных слоев может иметь важное прикладное значение.
Среди различных технологических схем нанесения алюминидного покрытия выделяются два основных варианта алитирования: из газовой фазы и из конденсированного алюминиевого слоя на поверхности защищаемого изделия. Эти два процесса различаются активностью источника алюминия: данные источники принято считать соответственно мало- и высокоактивным. Можно полагать, что механизм образования промежуточных (между подложкой и покрытием) диффузионных слоев в этих двух случаях имеет опреде-
ленную специфику, связанную с направлением и скоростью диффузионных потоков, а также кристаллографической ориентацией ИМ-диффузи-онных слоев.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Алюминидные покрытия наносили на подложку-ленту толщиной 0.2 мм из малолегированного никелевого сплава НКоМц 4-1 [3], представляющего собой твердый раствор Со (3.5%) и Мп (1%) в никеле. Лента получена из горячекатаной заготовки путем ее холодной прокатки с суммарной холодной деформацией ~9б% без промежуточных отжигов. После отжига при температурах 550-1000°С такая лента имеет текстуру рекристаллизации {100} (001). (Одна из целей легирования никеля марганцем и кобальтом - подавление вторичной рекристаллизации и как результат -повышение устойчивости кубической текстуры до 1000-1100° [4], т.е. до температур ХТО).
На образцы исходной деформированной ленты наносили покрытия:
- способом газоциркуляционного алитирования (ГЦА) при 980°С, 4 ч;
- покрытие ВСДП-11, содержащее 5% Б1, 1.5% У, остальное А1, наносили вакуумным напылением на одну сторону образцов, после чего их подвергали диффузионному отжигу по традиционному режиму: 980°, 2 ч. Часть образцов изучали непосредственно после напыления, часть - после напыления и отжига при 700°С в течение 1 ч.
Рекристаллизация подложки технологически совмещена с нанесением покрытия ВСДП-11. Поскольку температуры рекристаллизации (550°,
54
ХАЮТИН
1 ч) и реактивной диффузии (>700°) сильно различаются, первая заканчивается в процессе нагрева задолго до достижения температуры, при которой реактивная диффузия происходит с ощутимой скоростью. ГЦА проводили после нагрева образцов до рабочей температуры, когда рекристаллизация подложки закончена. Текстуры подложек в обоих случаях были одинаковы.
Далее образцы исследовали рентгенострук-турным методом с использованием рентгеновского дифрактометра ДРОН-4 в медном излучении с никелевым Р-фильтром толщиной ~30 мкм. Качество фильтрации Р-излучения проверяли съемкой чистого алюминия: на дифрактограмме (не приводится) Р-линии полностью подавлены. Съемку выполняли со скоростями 5 и 10 град/мин с использованием щелей Соллера. На образцах с напыленным покрытием фазовый анализ выполняли со стороны покрытия; по противоположной стороне (без покрытия) контролировали состояние подложки.
Металлографическое исследование выполняли при увеличении х 500-750.
Текстурограммы получали методом комбинированных полюсных фигур [5]:
- сначала на обычной дифрактограмме, полученной по схеме 6-26, выделяли линии повышенной (по сравнению со справочной) интенсивности, предположительно соответствующие плоскостям текстуры;
- далее снимали текстурограммы методом поворота образца по углу ю (вокруг вертикальной оси гониометра) в специально выбранных отражениях: (420) №3Л1, (211) и (210) №Л1 при одновременном "быстром" вращении образца по азимуту ф; регистрировали текстурный максимум интенсивности на кривой 1(ю) (если он есть), определяли угол а = 0(Ш) - ютах между осью текстуры и нормалью к отражающей плоскости;
- наконец, устанавливали образец под углом а, соответствующим 1тах(ю), и регистрировали одно
кольцо полюсной фигуры 1(ф) в том же отражении. При этом на кольце 1(ф) выявляются текстурные максимумы 1тах, по которым индицировали текстуру, пользуясь стандартными стереографическими проекциями. Если на кривой 1(ф) такие максимумы отсутствуют, это является признаком аксиальной текстуры.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
После отжига покрытия имеют двуслойную структуру (рис. 1), наружный и внутренний слои толщиной соответственно ~10 и 5 мкм. На рис. 2 представлены полученные дифрактограммы; на рис. 3 - текстурограммы фаз №Л1 и №3Л1. Результаты фазового анализа следующие.
1. Фазовый состав диффузионной зоны
1.1. Непосредственно после напыления на ленту на дифрактограмме (рис. 2а) наблюдаются два сильных отражения: (111) от слоя ВСДП-11 и (200) от никелевого сплава, что соответствует обычной для напыленного алюминия аксиальной текстуре (111) и текстуре подложки {100}(001), "просвечивающей из-под" напыленного слоя. Наблюдаются также фазы Л13№ и Л13№2. Самые сильные отражения от Р-фазы №Л1 близки к линиям (200) и (220) Л1, что затрудняет их однозначную трактовку. Таким образом, уже в процессе напыления имеет место взаимодействие компонентов с образованием наиболее богатых алюминием фаз. "Тыльная" сторона подложки имеет обычную для этой ленты текстуру куба: дифрак-тограмма (здесь не приводится) содержит только отражения (200) и (400), т.е. те же, что и на "напыленной" стороне. Таким образом, в процессе напыления лента нагревается выше ее температуры рекристаллизации (>550°), причем последняя происходит до начала заметного взаимодействия подложки с покрытием, поскольку текстуры отжига на обеих ее сторонах одинаковы.
(а)
ГГШгттТ
(б)
<
<
ТГ^ИТГТТГ^^
оо о о
<
35 40
50
60
70
35 40 45 50
55
60 65
26
2а
(в)
20 40
в (110)
у 200 в
у 400
(г)
Ьт
т
<
со £
<
£
<
£
<
со £
ш\
60
80 — 26
100
120
140
40
60
80
100
120
26
Рис. 2. Дифрактограммы поверхности ленты после обработок:
а - непосредственно после напыления ВСДП 11; б - то же после отжига при 700°С; в - то же после отжига по режиму: 2 ч при 980° + 1 ч при 700°С; г - после газофазного алитирования 4 ч при 980°С.
в
в
в
1.2. После отжига при 700°С рентгеновские линии алюминия исчезают, т.е. алюминий при этом практически нацело реагирует с подложкой с образованием фаз №А1 и, возможно, №3А1 (рис. 26). (Последнюю трудно отличить от неупорядоченного твердого раствора с ГЦК-решеткой). Сохраняются, а возможно, образуются дополнительно фазы А13№ и А13№2. Отметим, что совпадающее у нескольких фаз отражение ¿¡и = 0.203 нм в данном случае принадлежит в-фазе №А1; эту линию нельзя приписать (200) А1, так как отсутствует гораздо более сильная линия конденсата (111) А1.
1.3. После ХТО по обычному режиму (980 + + 700°С) в напыленном слое наблюдаются усиленные линии (110) и (111) в-фазы №А1 и (200) ГЦК-фазы на основе никеля (рис. 2в).
1.4. При газовом алитировании наблюдается двухфазное строение диффузионной зоны №А1 + + №3А1 при усиленных отражениях (110) и (220) №А1 (рис. 2г), что указывает на текстуру в ИМ.
2. Текстуры алюминидных покрытий
2.1. Текстура покрытия №А1 на основе ВСДП-11.
На текстурограмме (211) при 26 = 82.5° при быстром вращении образца наблюдается текстурный максимум при а = ~20° (рис. 3 а) при отсутствии азимутальной зависимости /(ф) (рис. 36). Это указывает на аксиальную текстуру. На текстурограмме (210) №А1 (здесь не представлена) также найден текстурный максимум с а = ~21°. В совокупности эти данные свидетельствуют об аксиальной текстуре №А1 ~[ 110] в диффузионном ИМ-слое, поскольку углы между осью текстуры и нормалями к указанным отражающим плоскостям совпадают с измеренными а.
2.2. Текстура №А1 после ГЦА. Текстурограм-ма (211) при быстром вращении практически совпадает с описанной в п. 2.1. (рис. 3а), однако развертка по азимуту дает четыре текстурных максимума на один азимутальный оборот (рис. 3в), что соответствует текстуре ИМ №А1 ограничен-
(a)
ХАЮТИН (б)
(в)
I (Ф), ю = 21
360
Рис. 3. Текстурограммы:
а - зависимость /2ц(ю)-фазы NiAl при быстром азимутальном (по углу ф) вращении образца после ХТО из напыленного слоя; б - зависимость /2ц(ф)-фазы NiAl при а = 20° после ХТО из напыленного слоя; в - то же после газофазной ХТО; г - текстурограмма /42о(ф) №зА1 при а = 28° после ХТО из напыленного слоя; д - то же после ГЦА; е - то же подложки н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.