технические науки/ 8. Обработка материалов в машиностроении

К.т.н., Гончаров В.С., аспирант Васильев Е.В.

Тольяттинский государственный университет

Жаростойкие иттрий-содержащие покрытия

Максимальные рабочие температуры традиционных жаропрочных никелевых сплавов для лопаток газотурбинных двигателей не превышают 1000-1100°С [1]. При дальнейшем повышении рабочих температур до 1100-1200°С наряду с никелевыми сплавами [4, 5, 6, 7] могли бы использоваться жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе хрома [2, 3], если преодолеть ряд негативных факторов, затрудняющих их применение.

Хромовые сплавы обладают повышенной жаростойкостью при 1050-1100°С и сравнительно небольшим удельным весом (~7.2 г/см³) [2], однако они характеризуются повышенной хрупкостью при температурах ниже 300–350°С [3] (150°С для нелегированного рекристализованного хрома промышленной чистоты [8]), особенно в рекристаллизованном состоянии, что определяет их низкую технологическую пластичность и высокую чувствительность к различным дефектам (надрезам, микротрещинам и т.п.). Кроме того, в процессе длительных нагревов при высоких температурах жаропрочные хромовые сплавы склонны к поглощению азота, что также отрицательно сказывается на их низкотемпературной пластичности [8]. Наиболее перспективными считаются такие хромовые сплавы, как, ВХ2, ВХ1И, ВХ4 [2], ВХ2К [3].

Для повышения жаростойкости данных сплавов широко применяют различные методы поверхностного осаждения покрытий, в частности, на основе иттрия [3]. С целью повышения качества жаростойких покрытий в данной работе был проведен ряд экспериментов по определению влияния основных технологических параметров процесса ионно-плазменного нанесения покрытия системы Y-Сr-О на структуру и свойства получаемого слоя.

В качестве материала подложки для нанесения покрытий использовался сплав хрома ВХ2К, содержание основных легирующих элементов в котором приведено в табл. 1.

Табл. 1. Химический состав сплава ВХ2К.

Содержание элементов, массовых %
Cr	La	V	Y	Zr	Mn	W	Остальные
98.753	0.17	0.7	0.004	0.025	0.006	0.002	0.34

Покрытия наносились на стандартной вакуумно-дуговой установке ННВ-6.6-И1. Осаждение производилось на подложки 50х10х2 мм. После механического шлифования, полирования, обезжиривания и промывки в ультразвуковой ванне образцы помещали в вакуумную камеру, которую затем откачивали паромасляным насосом. Перед нанесением покрытий производили ионную очистку ионами хрома при отрицательном потенциале подложки 700 В, токе дуги 50-70 А и температуре подложки 450-500°С. Температуру контролировали пирометром "Смотрич 4П-03" и поддерживали на заданном уровне. Образцы с напыленными покрытиями исследовали металлографически на микроскопе «Неофот-2». Ошибка в измерениях соответствует стандартным отклонениям и не превышает 5-10%.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Ранее было установлено, что при ионно-плазменном методе нанесения покрытий 100%-го синтеза хромита иттрия не происходит [3]. Следовательно, при проведении дополнительных высокотемпературных отжигов протекание фазовых реакции будет неизбежным, что в свою очередь может приводить к объемным изменениям в покрытии и образованию вторичных дефектов.

Для изучения данных изменений получены два типа покрытий – YCr (напыление Y+Cr в вакууме) и слоистое YCr+YCrO₃+Cr₂O₃ (послойное осаждение Y+Cr в вакууме, Y+Cr в кислороде, Cr в кислороде) После нанесения покрытий образцы отжигали в атмосфере технического аргона и фиксировали состояние поверхности (рис. 1, 2).

а

б

Рис. 1. Микроструктура покрытия YCr: а - после напыления; б - после формирующего отжига в аргоне при 1300°С в течение 2 ч. Увеличение х340.

а

б

Рис. 2. Микроструктура покрытия YCr+YCrO₃+Cr₂O₃: а - после напыления; б - после формирующего отжига в аргоне при 1300°С в течение 2 ч. Увеличение х340.

После напыления данных покрытий пористость составляла: 4.1% для YCr и 3.7% для YCr+YCrO₃+Cr₂O₃. После формирующего отжига соответственно 3.1 и 5.5%. Поскольку в первом случае образование YCrO₃ практически отсутствовало, а преимущественно формировался оксид хрома (за счет остаточного кислорода в атмосфере камеры при напылении), пористость покрытия понизилась. Во втором случае формирование хромита стало ощутимым, а пористость соответственно повысилась, что позволяет заключить правомерность полученных предположений.

Аналогичные эксперименты были поставлены для анализа влияния режимов формирующего отжига на структурные характеристики покрытий двух принципиально различных типов: Cr₂O₃+Y₂O₃ (послойное осаждение Cr в атмосфере кислорода и Y в атмосфере кислорода) и YCr+YCrO₃ (послойное осаждение Y+Cr в вакууме и Y+Cr в атмосфере кислорода) Трансформация данных покрытий при отжиге в аргоне протекает различно. Для покрытия Cr₂O₃+Y₂O₃ с ростом температуры отжига более выражена коагуляция частиц верхнего (оксид иттрия) слоя, вследствие чего затруднительной становится оценка состояния капельной фазы и пористости. Процесс коагуляции мало заметен после отжига при 1200°С, однако, при 1400°С отдельные участки покрытий имеют 100% коагуляцию. Движущими силами такого процесса может явиться образование хромита иттрия на границе раздела слоев Y₂O₃ и Cr₂O₃, сопровождающиеся уменьшением объема, образование газообразного оксида Cr₂O₃, а также дополнительное газонасыщение слоя Y₂O₃ (в особенности непрореагировавшей капельной фазы). Необходимо отметить, что процессы коагуляции и фрагментации наблюдаются и при высокотемпературном длительном отжиге образцов с покрытиями Cr₂O₃+ Y₂O₃ в вакууме, рис. 3.

а

б

Рис. 3. Микроструктура покрытий после отжига в вакууме при 1200°С в течение 115 ч: а - Cr₂O₃+Y₂O₃; б - YCr+YCrO₃. Увеличение х340.

В отличие от покрытий Cr₂O₃+Y₂O₃ покрытия YCr+YCrO₃ при формирующем отжиге в аргоне трансформируются в значительно меньшей степени, причем основное направление изменений - рост пористости и уменьшение капельной фазы.

Установлено, что покрытия значительно трансформируются в процессе эксплуатационного отжига. Причем, если слоистые покрытия Cr₂O₃+Y₂O₃ претерпевают глубокие коагуляционные изменения, то покрытия YCr+YCrO₃ в значительной большей степени сохраняют свою структуру. Однако, при отжиге на воздухе огрубление структуры присуще обоим видам покрытий.

В еще большой степени огрубление структуры свойственно уже в первые часы отжига на воздухе для покрытий, не прошедших технологических операций формирующего отжига. Аналогичные изменения поверхности свойственны и хрому без покрытия.

Таким образом, отжиг образцов на воздухе, сопровождающийся интенсивным газонасыщением поверхности и фазовыми реакциями, приводит к огрублению структуры покрытия, причем в меньшей степени данный процесс присущ покрытиям YCr+YCrO₃. Дополнительным источником такого явления может явиться образование газообразного CrO₃, удаление которого с поверхности приводит к изменению устойчивого состояния YCrO₃ и стимулирует протекание дополнительных реакций за счет активных газов воздуха.

Литература:

1. Солнцев Ю.II.. Пряхин Е.И. Материаловедение: Учебник для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. 784 с.: ил.

2. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапов и др.; Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. –2-е изд., испр. и доп. – М.: Машиностроение, 1986. 384 с., ил.

3. Покрытие А [Текст]: отчет о НИР (заключит.) / Тольяттинский политехнич. ин-т; рук. Гончаров В.С.; исполн.: Иванов Ю.Д. [и др.]. – Тольятти, 1990. – 238 с. – № ГР 207528.

4. Жаропрочный сплав: пат. 2393260 Рос. Федерация. № 2009114197/02; заявл. 14.04.2009; опубл. 27.06.2010, Бюл. № 18. 6 с.

5. Жаропрочный хромоникелевый сплав с аустенитной структурой: пат. 2446223 Рос. Федерация. № 2010142588/02,; заявл. 18.10.2010; опубл. 27.03.2012, Бюл. № 9. 6 с.

6. Жаропрочный сплав: пат. 2448194 Рос. Федерация. № 2011114722/02; заявл. 14.04.2011; опубл. 20.04.2012, Бюл. № 11. 7 с.

7. Сплав на основе интерметаллида Ni3Al и изделие, выполненное из него: пат. 2484167 Рос. Федерация. № 2012111657/02; заявл. 27.03.2012; опубл. 10.06.2013, Бюл. № 16. 7 с.

8. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения: Справочник. – 2-е изд.– М.: Металлургия, 1976. 560 с.