powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2019-2-68-74powder-448Research ArticleНаноструктурированные материалы и функциональные покрытияNanostructured Materials and Functional CoatingsИсследование процессов диффузионного отжига сталей с многослойным Ni–Al-покрытиемInvestigation of diffusion annealing processes of steels with multi-layer Ni–Al coatingКовтуновА. И.KovtunovA. I.

Доктор технических наук, профессор кафедры сварки, обработки материалов давлением и родственных процессов

445020, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14

Dr. Sci. (Tech.), Prof., Department «Welding, metal forming and related processes»

445020, Russia, Togliatti, Belorusskaya str., 14

akovtunov@rambler.ruОстрянкоА. М.OstryankoA. M.

Магистрант кафедры сварки, обработки материалов давлением и родственных процессов

445020, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14

 

Master’s student, Department «Welding, metal forming and related processes»

445020, Russia, Togliatti, Belorusskaya str., 14

ostryankoam@yandex.ruШашкинО. В.ShashkinО. V.

Кандидат технических наук, доцент кафедры сварки, обработки материалов давлением и родственных процессов

445020, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14

Cand. Sci. (Tech.), Prof., Department «Welding, metal forming and related processes»

445020, Russia, Togliatti, Belorusskaya str., 14

oleg@tltsu.ruСемистеноваТ. В.SemistenovaТ. V.

Кандидат технических наук, доцент кафедры управления промышленной и экологической безопасностью

445020, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14

 Cand. Sci. (Tech.), Prof., Department «Management of industrial and environmental safety»

445020, Russia, Togliatti, Belorusskaya str., 14

tatyana_717@mail.ruТольяттинский государственный университет (ТГУ)РоссияTogliatti State UniversityRussian Federation201919062019026874Copyright © НИТУ "МИСИС", 20192019НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/448

Интерметаллиды системы Ni–Al обладают высокой жаростойкостью, в связи с чем широко применяются в качестве покрытий для стальных деталей, работающих в условиях высоких температур. Для формирования таких покрытий предложен метод жидкофазного алюминирования предварительно никелированных стальных образцов с последующим диффузионным отжигом. Жидкофазное алюминирование позволяет сформировать на стали с никелевым покрытием второй алюминиевый слой, а диффузионный отжиг обеспечивает формирование покрытия на основе интерметаллидов Ni–Al. Диффузионный отжиг (t = 650÷850 °C, τ = 1, 2 и 5 ч) проводили на образцах, алюминированных при 750 °С. Установлено, что предлагаемая технология позволяет формировать поверхностные интерметаллидные слои, толщина которых определяется температурой и временем отжига: при t = 650÷800 °С и τ = 1÷5 ч формируется в основном слой Ni2Al3 толщиной до 50– 140 мкм, при t = 850 °С и τ = 5 ч образуются слои интерметаллидов NiAl и Ni3Al, обладающих наиболее высокой жаростойкостью. Исследования жаростойкости полученных покрытий показали, что за счет формирования на поверхности жаростойкого слоя NiAl образец не разрушается при температуре испытаний 750 °С в течение 300 ч. 

Ni–Al intermetallics have high heat resistance and therefore they are used as coatings for steel parts running under high temperature conditions. A method for liquid-phase aluminizing of preliminary nickel-plated steel samples followed by diffusion annealing was offered to form such coatings. Liquid-phase aluminizing can form the second aluminum layer on the nickel-plated steel and diffusion annealing provides formation of a coating based on Ni–Al intermetallics. Diffusion annealing (t = 650÷850 °C, τ = 1, 2 and 5 hours) was done at samples coated with aluminum at 750 °С. It was found that the technology offered ensures forming surface intermetallic layers with a thickness depending on the temperature and time of annealing. Annealing at 650÷800 °С during 1÷5 hours provides forming mainly up to 50–140 μm thick Ni2Al3 layer, while NiAl and Ni3Al layers featuring the highest heat resistance are formed at 850 °С during 5 hours. The heat resistance of these coatings showed that due to refractory NiAl layer formation on the surface, the sample resists to failure at a testing temperature of 750 °С during 300 hours.

алюминиды никеляалюминийжаростойкое покрытиедиффузионный отжигинтерметаллидные сплавыnickel aluminidesaluminumheat-resistant coatingdiffusion annealingintermetallicsРабота выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках реализации проекта № 17-48-630361ReferencesКолачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСиС, 1999.Kolachev B.A. Metallurgy and heat treatment of nonferrous metals and alloys. Moscow: MISIS, 1999 (In Russ.).Конокотин С.П., Моисеева Н.С. Влияние метода кристаллизации на структуру сплава системы Ni—Al после высокотемпературного нагрева. Металлургия машиностроения. 2013. No. 4. С. 27—31.Konokotin S.P., Moiseeva N.S. Effect crystallization method of the alloy structure of Ni—Al system after hightemperature heating. Metallurgiya mashinostroeniya. 2013. No. 4. P. 27—31.Susan D.F., Marder A.R. Ni—Al composite coatings: Diffusion analysis and coating lifetime estimation. Acta Mater. 2001. Vol. 49. No. 7. P. 1153—1163. DOI: https://doi.org/10.1016/S1359-6454(01)00022-2.Susan D.F., Marder A.R. Ni—Al composite coatings: Diffusion analysis and coating lifetime estimation. Acta Mater. 2001. Vol. 49. No. 7. P. 1153—1163. DOI: https://doi.org/10.1016/S1359-6454(01)00022-2.Chen S.D., Zhao J. Preparation of protective Ni—Al coating on low carbon steel by pulsed composite electrodeposition. Int. J. Electrochem. Sci. 2013. Vol. 8. P. 678— 688.Chen S.D., Zhao J. Preparation of protective Ni—Al coating on low carbon steel by pulsed composite electrodeposition. Int. J. Electrochem. Sci. 2013. Vol. 8. P. 678— 688.Zadorozhnyy V.Yu., Shahzad A., Pavlov M.D., Kozak D.S., Chirkov A.M., Zagrebin D.S., Khasenova R.S., Komarov S.V., Kaloshkin S.D. Synthesis of the Ni—Al coatings on different metallic substrates by mechanical alloying and subsequent laser treatment. J. Alloys and Compd. 2017. Vol. 707. P. 351—357. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.11.189Zadorozhnyy V.Yu., Shahzad A., Pavlov M.D., Kozak D.S., Chirkov A.M., Zagrebin D.S., Khasenova R.S., Komarov S.V., Kaloshkin S.D. Synthesis of the Ni—Al coatings on different metallic substrates by mechanical alloying and subsequent laser treatment. J. Alloys and Compd. 2017. Vol. 707. P. 351—357. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.11.189Lin T., Ahn K.Y., Harper J.M.E., Madakson P.V., Fryer P.M. Relationship between substrate bias and microstructure in magnetron-sputtered Al—Cu films. Thin Solid Films. 1987. Vol. 154. P. 81—89.Lin T., Ahn K.Y., Harper J.M.E., Madakson P.V., Fryer P.M. Relationship between substrate bias and microstructure in magnetron-sputtered Al—Cu films. Thin Solid Films. 1987. Vol. 154. P. 81—89.Stoloff N.S. Physical and mechanical metallurgy of Ni3Al and its alloys. Int. Mater. Rev. 1989. Vol. 34. No. 4. P. 153— 184.Stoloff N.S. Physical and mechanical metallurgy of Ni3Al and its alloys. Int. Mater. Rev. 1989. Vol. 34. No. 4. P. 153— 184.Czeppe T., Wierzbinski S. Structure and mechanical properties of NiAl and Ni3Al-based alloys. Int. J. Mech. Sci. 2000. Vol. 42. P. 1499—1518. DOI: https://doi.org/10.1016/S0020-7403(99)00087-9Czeppe T., Wierzbinski S. Structure and mechanical properties of NiAl and Ni3Al-based alloys. Int. J. Mech. Sci. 2000. Vol. 42. P. 1499—1518. DOI: https://doi.org/10.1016/S0020-7403(99)00087-9Sierra C., Vazquez A. NiAl coating on carbon steel with an intermediate Ni gradient layer. J. Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 200. P. 4383—4388. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.02.176.Sierra C., Vazquez A. NiAl coating on carbon steel with an intermediate Ni gradient layer. J. Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 200. P. 4383—4388. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.02.176.Ковтунов А.И, Чермашенцева Т.В., Мямин С.В. Исследование процессов жидкофазного формирования покрытий на основе алюминидов никеля. Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. No. 4. С. 24—28.Kovtunov A.I, Chermashentseva T.V., Myamin S.V. Investigation of the processes of formation of a liquid phase based on nickel aluminide coatings. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2013. No. 4. P. 24—28 (In Russ.).Cергеев В.П., Федорищева М.В., Воронов А.В., Сергеев О.В., Попова Н.А., Козлов Э.В. Влияние структуры на механические свойства нанокристаллических интерметаллидных покрытий на основе Ni—Al. Физическая мезомеханика. 2013. No. 7. С. 325—328.Sergeev V.P., Fedorishcheva M.V., Voronov A.V., Sergeev O.V., Popova N.A., Kozlov E.V. Effect of structure on the mechanical properties of nanocrystalline intermetallic coatings based on Ni—Al. Fizicheskaya mezomekhanika. 2013. No. 7. P. 325—328 (In Russ.).Deevi S.C., Sikka V.K. Nickel and iron aluminides: an overview on properties, processing, and applications. Intermetallics. 1996. Vol. 4. P. 357—375. DOI: https://doi.org/10.1016/0966-9795(95)00056-9Deevi S.C., Sikka V.K. Nickel and iron aluminides: an overview on properties, processing, and applications. Intermetallics. 1996. Vol. 4. P. 357—375. DOI: https://doi.org/10.1016/0966-9795(95)00056-9Богданов А.И. Формирование структуры и свойств слоистых покрытий системы Ni—Al на поверхности стальных изделий машиностроения: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Волгоград: ВолГТУ, 2012.Bogdanov A.I. Formation of structure and properties of laminated coatings Ni—Al on the surface of steel products in mechanical engineering: Abstr. Diss. of PhD. Volgograd: Volgogradskii gosudarstvennyi tekhnologicheskii universitet, 2012 (In Russ.).Ковтунов А.И., Мямин С.В., Плахотный Д.И. Получение слоистых композиционных материалов никельалюминий жидкофазным способом. Перспективные материалы. 2013. No. 11. С. 71—74.Kovtunov A.I., Myamin S.V., Plakhotnyi D.I. Preparation of layered composite materials of nickel-aluminum liquid phase method. Perspektivnye materialy. 2013. No. 11. P. 71— 74 (In Russ.).Ковтунов А.И., Ерофеев Я.В., Плахотный Д.И. Формирование на стали жаростойких покрытий системы никель–алюминий. Упрочняющие технологии и покрытия. 2014. No. 9. С. 31—34.Kovtunov A.I., Erofeev Ya.V., Plakhotnyi D.I. Formation of coatings on steel heat-resistant nickel-aluminum system. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2014. No. 9. P. 31—34 (In Russ.).Диаграммы состояния двойных металлических систем. Под общ. ред. Лякишева Н.П. Т. 1. М.: Машиностроение, 1996.Lyakishev N.P. (Ed.). The diagrams of binary metallic systems. Vol. 1. Moscow: Mashinostroenie, 1996 (In Russ.).Robertson I.M., Wayman C.M. Ni5Al3 and the nickelaluminum binary phase diagram. Metallography. 1984. Vol. 17. P. 43—55.Robertson I.M., Wayman C.M. Ni5Al3 and the nickelaluminum binary phase diagram. Metallography. 1984. Vol. 17. P. 43—55.Даненко В.Ф., Гуревич Л.М., Понкратова Г.В. О влиянии алитирования на структуру и свойства стали Ст3. Изв. ВолгГТУ. Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. 2014. No. 9 (136). С. 30—34.Danenko V.F., Gurevich L.M., Ponkratova G.V. About the influence of aluminizing on the structure and properties of steel St3. Izv. VolgGTU. Problemy materialovedeniya, svarki i prochnosti v mashinostroenii. 2014. No. 9 (136). P. 30—34 (In Russ.).Гегузин Я.Е. Диффузионная пористость в металлах и сплавах. Успехи физ. наук. 1957. Т. 61. No. 2. С. 217— 239.Geguzin J.E. Diffusion porosity in metal and alloys. Uspekni phys. nauk. 1957. Vol. 61. No. 2. P. 217—239 (In Russ.).Mohammadnezhad M., Shamanian M., Enayati M.H. Formation of nanostructured NiAl coating on carbon steel by using mechanical alloying. Appl. Surf. Sci. 2012. Vol. 263. P. 730—736. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.09.151.Mohammadnezhad M., Shamanian M., Enayati M.H. Formation of nanostructured NiAl coating on carbon steel by using mechanical alloying. Appl. Surf. Sci. 2012. Vol. 263. P. 730—736. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.09.151.Mohammadnezhad M., Shamanian M., Enayati M.H., Salehi M. Influence of annealing temperature on the structure and properties of the nanograined Ni—Al intermetallic coatings produced by using mechanical alloying. Surf. Coat. Technol. 2013. Vol. 217. P. 64—69. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.11.073Mohammadnezhad M., Shamanian M., Enayati M.H., Salehi M. Influence of annealing temperature on the structure and properties of the nanograined Ni—Al intermetallic coatings produced by using mechanical alloying. Surf. Coat. Technol. 2013. Vol. 217. P. 64—69. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.11.073Yu Y., Zhou J., Chen J., Zhou H., Guo C., Wang L., Yang L. Preparation, microstructure and tribological behavior of laser cladding NiAl intermetallic compound coatings. Wear. 2012. Vol. 274—275. P. 298—305.Yu Y., Zhou J., Chen J., Zhou H., Guo C., Wang L., Yang L. Preparation, microstructure and tribological behavior of laser cladding NiAl intermetallic compound coatings. Wear. 2012. Vol. 274—275. P. 298—305.Darolia R. NiAl alloys for high-temperature structural applications. JOM. 1991. Vol. 43. P. 44—49.Darolia R. NiAl alloys for high-temperature structural applications. JOM. 1991. Vol. 43. P. 44—49.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.