ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2011, том 47, № 1, с. 65-71
НОВЫЕ ВЕЩЕСТВА, ^^^^^^^^^^^^ МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ
УДК 620.17:669.24
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ОТЖИГОВ И ПОЛЗУЧЕСТИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ОДНОСЛОЙНЫХ И ДВУХСЛОЙНЫХ
ЖАРОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ
© 2011 г. Н. И. Афанасьев, О. К. Лепакова, В. Д. Китлер
Отдел структурной макрокинетики ТНЦСО РАН, Томск E-mail: maks@fisman.tomsk.ru Поступила в редакцию 01.07.2009 г.
Исследована эволюция структуры, фазового и химического состава в двухслойных жаропрочно-жаростойких плазменных покрытиях и в поверхностных слоях сплава ЖС6У [Ni—(8—9)Cr—2.4Ti—5.3Al—(9— 10)Co—(1.2—2.4)Mo—10.5W—1.0Nb—0.02B—(0.18—0.2)C] под покрытием в процессе высокотемпературных отжигов и ползучести. В сплаве ЖС6У под однослойным покрытием из сплава Ni—Cr—Al—Y после высокотемпе-ратурных отжигов и ползучести на воздухе наблюдали внутреннее окисление. Рассмотрены возможности подавления внутреннего окисления за счет нанесения дополнительного барьерного слоя для диффузии кислорода. Показано, что имплантация ионов не приводит к подавлению внутреннего окисления в сплаве под покрытием и не оказывает влияния на длительную прочность в процессе ползучести при 1273 К. Дополнительный слой керамики задерживает внутреннее окисление сплава ЖС6У на 50—60 ч, что приводит к увеличению времени до разрушении при напряжении 170 МПА со ста часов для сплава с однослойным покрытие до 120 ч. Нанесение подслоя из жаропрочных сплавов полностью подавляет внутреннее окисление. Жаропрочный сплав с двухслойным покрытием имеет одинаковую длительную прочность на базе 100 ч на воздухе и в вакууме.
ВВЕДЕНИЕ
К основным проблемам материаловедения жаропрочных сплавов относится повышение их стойкости к воздействию окружающей среды. Один из путей решения этой проблемы заключается в применении защитных покрытий. Для защиты жаропрочных сплавов на основе никеля широкое применение получили плазменные покрытия на основе сплавов №(Со)—Сг—А1—У [1]. Высокая жаростойкость этих покрытий в окислительной среде обусловлена образованием сплошной пленки высокостабильных оксидов А1203 и Сг203. В процессе эксплуатации в результате взаимной диффузии компонентов сплава состав и структура покрытия изменяются, что приводит к снижению его защитных свойств. Изучение закономерностей деградации структуры покрытия имеет большое значение для разработки оптимальных систем защиты и методов их нанесения.
В работе [2] в сплаве ЖС6У под покрытием из сплава N1—Сг—А1—У после высокотемпературных отжигов и ползучести на воздухе наблюдали внутреннее окисление, что свидетельствует о проникно-
вении кислорода через жаростойкое покрытие к поверхности сплава. В настоящей работе рассмотрены возможности подавления внутреннего окисления жаропрочного сплава под покрытием за счет нанесения дополнительного барьерного слоя для диффузии кислорода.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В табл. 1 приведены составы покрытий и жаропрочного сплава ЖС6У. Для предотвращения внутреннего окисления использовали три различных барьерных слоя.
1. Перед нанесением основного жаростойкого покрытия П-1 (см. табл.1 ) в поверхность сплава имплантировали ионы Zr, Р;, 81, Т1. Два последних элемента имплантировали одновременно из эвтектического сплава 81—Т1812. Доля Т1812, имеющего металлический тип проводимости, составляла 30%. Имплантацию проводили ионами с энергией 100 кэВ до дозы 1017 см-2. Использовали импульсный источник с частотой 1-50 Гц, длительностью импульсов 200-300 мкс, током ионов до 1 А. Такие параметры обеспечивали дозы имплантации
Таблица 1. Состав покрытий и сплава основы
Покрытие, сплав Состав, масс. %
П-1 Ni-(19-23)-Cr, (9—11)Al—(0.15—0.4)Y
П-2 Ni—12Al—5Cr
П-3 Ni—27.3Ta
П-4 40%Y203-40%Zr02-10% Cr203-10% Al2O3
ЖС6У Ni—(8—9)Cr—2.4Ti—5.3Al—(9—10)Co—(1.2—2.4)Mo—10.5W—1.0Nb—0.02B—(0.18—0.2)C
Таблица 2. Зависимость ширины диффузионной зоны между жаропрочным покрытием П2 и сплавом ЖС6У в процессе отжига и ползучести при 1273 К
Время, мин 10 20 40 70 100
Ширина зоны, мкм (отжиг) 8 15 25 26 26
Ширина зоны, мкм (ползучесть) 2 5 7 8 8
1017 см-2 на площади до 300 см2 за 10—20 мин. Покрытие толщиной 60—100 мкм наносили на имплантированную поверхность сплава ЖС6У. Все покрытия наносили методом вакуумной плазменной технологии высоких энергий (ВПТВЭ) [3]. Имплантированные образцы с покрытием подвергали отжигу до 100 ч при температуре 1273 К в открытой печи.
Известно [4—6], что имплантация ионов в ряде случаев на порядок повышает коррозионную стойкость металлов, в том числе и при повышенных температурах (973—1273 К). Таким образом, существует принципиальная возможность подавления внутреннего окисления поверхности сплава ЖС6У под покрытием за счет ионной имплантации.
2. На подготовленную поверхность сплава ЖС6У наносили первый (внутренний) слой — покрытие П-1. Второй (внешний) слой состоял из керамики — покрытие П-4.
Рис. 1. (а) — дислокационная структура имплантированного сплава; (б, в, г) — микроэлектронограммы поверхности, имплантированной платиной, цирконием и одновременно кремнием и титаном соответственно; (в) — микроструктура окисной пленки в имплантированных образцах после отжига на воздухе 50 ч; (е) — структура сплава ЖС6У после ползучести
3. Перед нанесением покрытия П-1 на сплав ЖС6У наносили жаропрочные покрытия различного состава (П-2 и П-3). Перед нанесением жаропрочных покрытий поверхность сплава очищали и обезжиривали. После нанесения первого покрытия образцы отжигали в вакууме четыре часа при 1273 К, после нанесения второго — термическую обработку повторяли. Отжиг проводили с целью гомогенизации покрытий. Для исследования структуры покрытий, формирующейся непосредственно после их нанесения, использовали неотожженные образцы.
Фазовые превращения в покрытиях и приповерхностных слоях сплава под покрытием в процессе высокотемпературных отжигов и ползучести исследовали методом оптической, растровой и просвечивающей электронной микроскопии. Для исследования использовали поперечные шлифы и фольги из образцов, подвергшихся различным временам отжига или испытаний на ползучесть (табл. 2). Образцы для оптической и растровой микроскопии готовили механической шлифовкой с последующей полировкой и травлением в растворе, содержащем 35 мл HNO3, 10 мл HCl, 55 мл H2O, 2.5 г NaF. Тонкие фольги для просвечивающей электронной микроскопии получали электролитически струйным методом на модифицированной установке ПТФ. В заключительной стадии утонение проводили в стоячем электролите при 273—293 К, использовали 20%-й раствор HClO4 в этиловом спирте.
Распределение элементов в покрытиях и сплаве определяли методом микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) на приборе "Camebax microbeam" при ускоряющем напряжении 20 кВ и токе пучка 10-8 А. Локальность анализа составляла 2—3 мкм3. Для устранения помех от диэлектрических фаз на поверхность образцов предварительно наносили золото методом вакуумного напыления. Содержание элементов определяли путем пересчета относительных интенсивностей характеристических линий спектра в образце и эталоне с помощью стандартной программы. Точность определения содержания элементов составляла ±0.2 отн. %. Приведенные на рис. 5 количественные данные концентраций элементов получены усреднением десяти независимых измерений концентрационного профиля. Послойное распределение имплантированных элементов исследовали методом ВИМС.
Испытания на ползучесть проводили на машине ПВ-3012М при 1273 К в вакууме 10-3 Па и в воздушной атмосфере при напряжении 160—200 МПа. Использовали плоские образцы с головками и размерами рабочей части 2 х 3 х 20 мм3.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Имплантация ионов. Основное отличие структуры имплантированного сплава от структуры неим-плантированного — повышенная плотность дислокаций в поверхностном слое (рис. 1а). Повышенная
плотность дислокаций наблюдается как в у-, так и в у'-фазе. По-видимому, дислокации образуются в результате возникновения и слияния различного рода радиационных дефектов под действием внутренних напряжений.
На рис. 1б приведена микроэлектронограмма сплава после имплантации ионов платины. Основные рефлексы относятся к у- и у'-фазам и практически совпадают, так как они являются когерентными. Несоответствие периодов решеток этих фаз в зависимости от химического состава составляет 0.20—0.39%. Вблизи основных рефлексов наблюдаются рефлексы — сателлиты. Их можно связать с фазой, имеющей ГЦК решетку в той же ориентации, что и у, у'-фазы, но с увеличенным до 4—4.2 А параметром решетки. Одно из колец (самое яркое) проходит через рефлексы — сателлиты и принадлежит той же самой фазе с ГЦК решеткой. Параметр решетки платины составляет 3.9158 А. Однако, наблюдающиеся кольца и рефлексы — сателлиты не относятся к платине, так как появляются независимо от типа имплантируемых ионов.
На рис. 1в представлена микроэлектронограмма поверхности сплава, имплантированной цирконием. Помимо рефлексов у + у'-фаз наблюдаются рефлексы- сателлиты и кольца двух типов. Одни — более размытые, без видимого дробления на отдельные рефлексы от фазы с мелкими кристаллами. На этих кольцах видны текстурные максимумы, свидетельствующие о преимущественной ориентации кристаллов. Наиболее яркие текстурные максимумы находятся в положении рефлексов — сателлитов (на рис. 1б, 1в они отмечены штрихом). Сравнение параметра решетки неизвестной фазы с параметрами различных окислов позволило отнести ее к окиси никеля с параметром ГЦК решетки 4. 2 А. Менее размытые кольца (кольцо 1 на рис. 1в) соответствуют межплоскостным расстояниям для отражений 100 и 200 решетки а-циркония.
После одновременной имплантации титана и кремния на поверхности образуется пленка, соответствующая мелкокристаллическому окислу ТЮ2, с решеткой рутила (рис. 1г). Присутствие кремния в чистом виде и в окислах надежно не установлено. Образование окислов никеля и некоторых имплантированных элементов, по-видимому, обусловлено наличием остаточного кислорода в вакуумной установке. Атомы кислорода ионизируются при столкновении с другими ионами и имплантируются в поверхность сплава. Наряду с окислами имплантированных э
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.