Технические науки/3.Отраслевое машиностроение.

Д.т.н. Ковтунов А.И., магистрант Ерофеев Я.В., магистрант Плахотный Д.И.

Тольяттинский государственный университет, Россия

Технология формирования покрытий системы никель-алюминий

Алюминиды никеля отличаются высокой жаростойкостью при сравнительно небольших значениях плотности. Основным фактором, затрудняющим применение алюминидов никеля и сплавов на их основе низкая прочность и пластичность, особенно при комнатной температуре [1]. Однако интерметаллидные сплавы системы никель-алюминий могут успешно применяться для формирования поверхностных слоев деталей, от которых требуются повышенные эксплуатационные свойства [2].

Для формирования жаростойких покрытий системы никель-алюминий на поверхности стальных изделий было предложено последовательно наносить слой никеля и алюминия, а затем диффузионным отжигом получать покрытие необходимого химического состава[2].

Исследования процессов формирования покрытий системы никель-алюминий проводили на стальных пластинах 50х25 мм толщиной 1 мм. Пластины предварительно гальванически никелировали, а затем формировали слой алюминия жидкофазным способом. Толщина никелевого слоя перед алюминированием составляла 20-25мкм.

Жидкофазное алюминирование проводили погружением никелированных образцов на 3-4с в расплав алюминия А7 при температурах 700 – 800° С c предварительной активацией поверхности образцов флюсом на основе эвтектической системы KF-AlF₃ [2,3]. На поверхности никелированных образцов формируется алюминиевое покрытие, толщина которого в зависимости от температуры составляет 15-35мкм (рис1.).

Рисунок 1 – Внешний вид стальных образцов после никелирования и алюминирования

На границе никелевого алюминиевого слоя при алюминировании в результате реакционной диффузии формируется переходный интерметаллидный слой (рис.2 а). Толщина переходного слоя увеличивается при повышении температуры алюминиевого расплава. Переходный слой представлен двумя фазовыми областями. Со стороны алюминия формируется фаза NiAl₃, а со стороны никелевого слоя – Ni₂Al₃.

а)

б)

Рисунок 2 – Карта распределения алюминия, никеля и железа на поверхности никелированных стальных образцах после алюминирования при температуре расплава А7 a) 700° С; б) a) 800°С

Микрорентгеноспектральный анализ покрытий показал, что при жидкофазном алюминировании никелевое покрытие растворяется в алюминиевом расплаве и для формирования на стали покрытий на основе алюминидов никеля наблюдается дефицит никеля. Особенно заметно растворение никелевого слоя при температурах алюминиевого расплава выше 750° С (рис.2б).

С целью снижения скорости растворения никелевого слоя в алюминиевом расплаве было предложено насыщать алюминиевый расплав никелем перед алюминированием. Проведенные исследования алюминирования в расплаве алюминия с 10 и 20% содержанием никеля, показали что скорость растворения никеля значительное снижается (рис 3). Толщина никелевого слоя значительно не изменяется при алюминировании. Толщина переходного слоя между алюминием и никелем увеличивается в 1,5-2,5 раза и составляет 10-20мкм. Особенно заметно увеличивается толщина слоя интерметаллидной фазы Ni₂Al₃ (рис.3).

Рисунок 3 Карта распределения алюминия, никеля и железа на поверхности никелированных стальных образцах после алюминирования в расплаве Al+20% Ni при температуре расплава 800°С

Диффузионный отжиг стальных образцов с последовательно нанесенными слоями никеля и алюминия, проводимый с целью формирования покрытия на основе алюминидов никеля, показал что, управляя температурой и временем можно получать на стали различные по фазовому составу интерметаллидные покрытия на основе системы алюминий-никель. Для предотвращения стекания алюминия с образцов температура отжига при проведении экспериментальных исследований составляла 600-750° С.

При диффузионном отжиге на поверхности стальных образцов формируется многослойное интерметаллидное покрытие (рис.3). Покрытие состоит из последовательно расположенных слоев интерметаллидов: Ni₂Al₃, NiAl, Ni₃Al, FeNi₃. Толщина интерметаллидного слоя составляла 30-60мкм. Наиболее протяженная область интерметаллида Ni₂Al₃. Все слоя на основе алюминидов никеля легированы железом в пределах 3%. Слой на основе FeNi₃ практически не содержит алюминия.

Название спектра	Al	Fe	Ni	Сумма
Спектр 9	40.80	1.11	58.10	100.00
Спектр 10	40.37	1.28	58.35	100.00
Спектр 11	40.31	1.27	58.42	100.00
Спектр 12	39.71	1.66	58.63	100.00
Спектр 13	32.61	2.20	65.19	100.00
Спектр 14	13.48	3.06	83.46	100.00
Спектр 16		59.06	40.94	100.00
Спектр 15		21.42	78.58	100.00
Спектр17		19.34	80.66	100.00

Рисунок 3– Микроструктура и химический состав покрытия образца после диффузионного отжига при температуре T_отж = 750^о С; t_отж = 5ч.

Исследование жаростойкости при температуре 750^о С стальных образцов с покрытием, полученными по предложенной технологии, показало, что потеря массы образов составляла не более 1% от веса образцов при выдержке в течение 500ч.

Выводы

1. Для формирования жаростойких покрытий на сталях было предложено предварительно получать многослойное никель-алюминиевое покрытие, а затем в процессе диффузионного отжига формировать интерметаллидное покрытие.

2. С целью снижения скорости растворения никелевого покрытия при алюминировании предложено предварительно легировать алюминиевый расплав никелем.

3. Проведенные исследования показали, что диффузионный отжиг стальных образцов с последовательно нанесенными слоями никеля и алюминия обеспечивает формирование интерметаллидного покрытия, состоящего из последовательно расположенных фаз Ni₂Al₃, NiAl, Ni₃Al, Fe Ni₃, которые обеспечивают высокие показатели жаростойкости покрытия.

Литература:

1. Колачев, Б.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов / Б.А. Колачев, В.И. Елагин, В.А. Ливанов. – М. : МИСИС, 1999. – 416 с.

2. Ковтунов А.И, Чермашенцева Т.В., Мямин С.В. Исследование процессов жидкофазного формирования покрытий на основе алюминидов никеля/ А.И.Ковтунов, Т.В. Чермашенцева, С.В. Мямин, //Упрочняющие технологии и покрытия. №4, 2013. С.24-28.

3. Ковтунов А.И, Мямин С.В., Чермашенцева Т.В. Исследование процессов смачивания стали алюминием при производстве слоистых композитов/ А.И.Ковтунов, С.В. Мямин, Т.В. Чермашенцева// Сварочное производство. №3, 2011. С.8-11.