Введение к работе
Актуальность работы. Необходимость повышения эксплуатационной надежности и срока службы высокотехнологичных изделий энергетического машиностроения, работающих при высоких и сверхвысоких температурах, ставит задачу разработки принципиально новых материалов. Решение этой задачи ведется в двух направлениях:
- совершенствование имеющихся конструкционных материалов путём их
легирования, оптимизации структуры и создания композиций сложного состава;
- формирование на поверхности материалов жаростойких покрытий.
Среди жаростойких покрытий, обеспечивающих защиту материалов в
окислительных средах при температурах до 1200С весьма эффективными являются покрытия из алюминидов никеля, высокие защитные свойства которых основаны на способности поверхностного слоя этих покрытий окисляться с образованием защитной плёнки на основе окисла алюминия АІ2О3.
Разработке методов получения материалов для таких покрытий, технологий их нанесения и исследованию их свойств посвящены работы Ж.М. Бледно-вой, Б. А. Гринберг, Е.Н. Каблова, В.И. Калиты, С.Д. Калошкина, Э.В. Козлова, СВ. Косицына, В.В. Кудимова, Е.А. Левашова, А.Г. Мержанова, КБ. Поваро-вой, А.Д. Погребняка, Н.Б. Пугачевой, Г.И. Соколова, S.C Deevi, J.A. Hearley, Z-К. Liu, К. Мог si, J.R. Nicholls, M. Salehi, С. Sierra, D.F. Susan, F. Wang, Z.D. Xiang и ряда других отечественных и зарубежных исследователей.
Анализ опубликованных работ показал, что наряду с широко используемыми методами (СВС, напыление, наплавка, механосинтез и др.) все большую актуальность приобретают комбинированные методы обработки, позволяющие получать слоистые покрытия - «никель + алюминид никеля». В таких покрытиях каждый слой несет определенную функциональную нагрузку: слой никеля предотвращает проникновение атомов алюминия в основу и обеспечивает высокую адгезию покрытия к подложке, а алюминид никеля защищает основу от окисления за счет образования оксидной пленки AI2O3.
Актуальность исследований в этом направлении обусловлена сложностью и недостаточной изученностью структурно-фазовых превращений на межслой-ных границах слоистых никель-алюминиевых композитов в условиях высокотемпературного нагрева, а также недостаточным объемом сведений о влиянии формирующихся структур на свойства покрытий.
Основные результаты работы получены в период 2009-2012 г.г. при выполнении фундаментальных научно-исследовательских работ:
^ «Создание метода получения защитных покрытий на основе алюми-
нидов никеля для высокотехнологичных изделий аэрокосмической техники с целью повышения их ресурса и надежности, снижения стоимости при производстве и применении» (ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2012 - 2013 гг.);
^ «Создание научных основ производства функциональных и конструк-
Автор выражает глубокую благодарность Заслуженному деятелю науки РФ, докт. техн. наук, профессору Ю.П. Трыкову за оказанную помощь при анализе и обсуждении полученных результатов.
ционных материалов нового поколения - слоистых интерметаллидных композитов, обладающих уникальными теплофизическими и жаропрочными свойствами» (АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009-2011 гг.);
^ «Создание теоретических основ получения нового класса конструк-
ционных материалов - слоистых интерметаллидных композитов с градиентными физико-механическими свойствами» (Грант МК-218.2010.8 Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых-кандидатов наук на 2010-2011 гг.).
Цель и задачи исследования. Цель работы - разработка технологии получения жаростойких покрытий из алюминидов никеля на базе исследования закономерностей формирования структурно-механической неоднородности никель-алюминиевых СКМ при сварке взрывом (СВ), обработке давлением (ОД) и термообработке (ТО).
Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:
-
Разработать новый способ получения жаростойких покрытий из алюминидов никеля, обеспечивающий высокую прочность сцепления с подложкой и ее защиту от высокотемпературного окисления.
-
Выявить влияние термического и силового воздействия на параметры процесса диффузионного взаимодействия между алюминием и никелем в сваренных взрывом СКМ и получить эмпирические зависимости, позволяющие рассчитывать толщину диффузионных слоев для контроля кинетики фазовых превращений в покрытиях системы М/МгАЬ
-
Исследовать закономерности формирования и трансформации структуры и свойств слоистых покрытий системы N1/N12AI3, полученных по предложенной технологии (СВ, ОД и ТО).
4. Разработать практические рекомендации по применению никель-
алюминиевых слоистых интерметаллидных композитов в качестве конструкци
онных и функциональных материалов, предназначенных для работы при стати
ческих нагрузках и повышенных температурах.
Научная новизна работы заключается в теоретическом обосновании и экспериментальном определении деформационно-силовых и температурно-временных условий, обеспечивающих создание с помощью сварки взрывом, обработки давлением и термообработки жаростойких интерметаллидных покрытий системы Ni-Al на поверхности стальных деталей.
Экспериментально установлено, что структура сформировавшихся при сварке взрывом участков оплавленного металла на межслойных границах Ni-Al СКМ представляет собой дисперсные интерметаллидные включения №А1з и N12AI3 в матрице из твердого раствора на основе алюминия. Формирующиеся при термообработке диффузионные прослойки на первом этапе повторяют контур оплава, а затем, по мере увеличения времени выдержки, «поглощают» его, выравнивая свой стехиометрический состав: со стороны никеля образуется алюминид N12AI3, а со стороны алюминия - №А1з.
Показано, что охлаждение трехслойного композита СтЗ+НП2+АД1 после отжига, обеспечивающего формирование диффузионной зоны толщиной более 30 мкм, приводит к самопроизвольному отделению алюминиевого слоя в ре-
зультате разрушения интерметаллидной прослойки по фазе №А13, обусловленного действием растягивающих напряжений, превышающих ее предел текучести при соотношении толщин слоев алюминия и (никель + сталь) & < 0,1 ик> 4.
Установлено, что начальная толщина покрытия №гА13 является параметром, контролирующим кинетику фазовых превращений, ее увеличение сопровождается ростом продолжительности фазового перехода №/№гА13—> Ni/NiAl/Ni2Al3 —> Ni/NiAl — Ni/Ni3Al —ЩАЇ) и толщины никелевого слоя, необходимого для его реализации. Увеличение температуры и времени эксплуатации покрытия приводит к выравниванию градиента концентрации и, в конечном итоге, к формированию на стальной подложке покрытия, представляющего собой никелевый аустенит.
Практическая значимость:
-
Впервые получены и систематизированы данные о теплопроводности слоистых интерметаллидных никель-алюминиевых композитов, позволяющие расширить области применения этого класса композиционных материалов.
-
Получены эмпирические зависимости, позволяющие назначать режимы высокотемпературных нагревов для формирования требуемой толщины диффузионных слоев и контролировать кинетику фазовых превращений в покрытиях системы Ni/Ni2Al3
-
Результаты проведенных исследований позволили разработать новый способ получения жаростойкого покрытия на поверхности стальных деталей (заявка на изобретение №2012118293, приоритет от 03.05.2012 г.). На уровне изобретений (патенты РФ №119680, 119866) разработаны способы получения и конструкции композиционных изделий с внутренними полостями, предназначенных для работы в окислительных газовых средах, с различными вариантами расположения жаростойких покрытий.
Методы исследования. Экспериментальная часть работы выполнена с применением оптической микроскопии (микроскоп Olympus ВХ61), атомно-силовой микроскопии (сканирующий зондовый микроскоп Solver Pro), фазового рентгеноструктурного анализа (рентгеновский дифрактометр ДРОН-3), рент-генофлуоресцентного анализа (рентгеновский спектрометр Niton XL3t), тепло-физических исследований (установка «Теплофон» КИТ-02Ц), измерения микротвердости (микротвердомер ПМТ-ЗМ). Обработка экспериментальных данных производилась с помощью специализированных пакетов прикладных программ.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград 2011), международных научно-технических конференциях «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Волгоград 2007, 2010), Всероссийских научно-практических конференциях «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2008, 2010), III и IV Всероссийской научной конференции «Наука и устойчивое развитие» (Нальчик 2009, 2010), научно-практических конференциях студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области (Волгоград 2007-2011), ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета
(Волгоград 2007-2012).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 23 печатные работы, в том числе 10 статей в российских периодических рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получено 15 патентов РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 162 наименования, и приложения. Основная часть работы содержит 175 страниц машинописного текста, 83 рисунка, 24 таблицы.
