Исследование процессов диффузионного отжига сталей с многослойным Ni–Al-покрытием

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. 

1. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСиС, 1999.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.2016.11.189

6. 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.

7. Stoloff N.S. Physical and mechanical metallurgy of Ni3Al and its alloys. Int. Mater. Rev. 1989. Vol. 34. No. 4. P. 153— 184.

8. 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)00087-9

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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)00056-9

13. Богданов А.И. Формирование структуры и свойств слоистых покрытий системы Ni—Al на поверхности стальных изделий машиностроения: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Волгоград: ВолГТУ, 2012.

14. Ковтунов А.И., Мямин С.В., Плахотный Д.И. Получение слоистых композиционных материалов никельалюминий жидкофазным способом. Перспективные материалы. 2013. No. 11. С. 71—74.

15. 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.

16. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Под общ. ред. Лякишева Н.П. Т. 1. М.: Машиностроение, 1996.

17. Robertson I.M., Wayman C.M. Ni5Al3 and the nickelaluminum binary phase diagram. Metallography. 1984. Vol. 17. P. 43—55.

18. 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.

19. Гегузин Я.Е. Диффузионная пористость в металлах и сплавах. Успехи физ. наук. 1957. Т. 61. No. 2. С. 217— 239.

20. 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.

21. 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.2012.11.073

22. 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.

23. Darolia R. NiAl alloys for high-temperature structural applications. JOM. 1991. Vol. 43. P. 44—49.