Триває друк

2017 №04 (01) DOI of Article
10.15407/sem2017.04.02 		2017 №04 (03)

Сучасна електрометалургія 2017 №04


Современная электрометаллургия, 2017, #4, 8-16 pages
 

Структура и свойства конденсационных градиентных термобарьерных металлокерамических покрытий со связующим слоем NiAl, легированным Y, Hf, Dy

К. Ю. Яковчук1, Ю. Э. Рудой1, А. В. Микитчик1, Е. В. Оноприенко2


1Государственное предприятие «Международный центр электронно-лучевых технологий Института электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины». 03150, г. Киев-150, ул. Горького (Антоновича), 68. E-mail: yakovchuk@paton-icebt.kiev.ua
2ТОВ «ОПТЕК». 04070, г. Киев, ул. Ильинская, 8. E-mail: onoprienko@optecgroup.com
 
Abstract
Проведен анализ современных методов повышения служебных характеристик жаростойкого сплава NiAl, используемого в качестве связующего слоя в термобарьерных покрытиях, путем введения в его состав активных элементов, например Y, Hf, Dy. Представлены результаты исследования структуры и свойств конденсационных термобарьерных покрытий NiAl/ZrO2–8 % Y2O3 толщиной 40…50/140…160 мкм на образцах из жаропрочного сплава ЖС-32ВИ с добавками Y, Hf, Dy в NiAl, в том числе с градиентным распределением их концентрации по толщине слоя NiAl. Установлено, что добавки активных элементов уменьшают в 4–5 раз средний размер зерен конденсированного слоя NiAl. Показано, что активные элементы в связующем слое выделяются как по границам, так и внутри зерен NiAl в виде частиц размером от 5 нм до 20 мкм в зависимости от уровня их концентрации. Установлено, что наиболее высокой термоциклической долговечностью при испытаниях на воздухе по режиму 40...1150 оС обладают градиентные покрытия NiAlDy/ZrO2–8 % Y2O3, в которых содержание диспрозия градиентно увеличивается по толщине слоя NiAl, достигая максимума (4…9 %) у границы раздела с внешним керамическим слоем. Отмечено, что позитивный эффект от введения Dy, в сравнении с Y, в состав NiAl обеспечивается благодаря торможению диффузии Al (примерно в 1,2 раза), замедлению скорости роста слоя окалины Al2O3 на границе раздела металл–керамика и повышению адгезии слоя окалины за счет врастания веретенообразных выделений оксидов на основе диспрозия в слой окалины. Библиогр. 19, ил. 13.

Ключевые слова: конденсационные градиентные термобарьерные покрытия; внешний керамический слой на основе диоксида циркония; жаростойкий связующий слой NiAl; активные элементы Y, Hf, Dy; жаропрочные сплавы; термоциклическая долговечность термобарьерных покрытий
 
Received:                28.07.17
Published:               06.12.17
 
 
Список литературы/References
  1. Darolia, R. (2013) Thermal barrier coatings technology: Critical review, progress update, remaining challenges and prospects. International Materials Reviews, 58(6), 315–348.
  2. Levi, C.G. (2004) Emerging materials and processes for thermal barrier systems. Solid State and Materials Sci., 38, 77–91.
  3. Clarke, D.R., Oechsner, M., Padture, N. (2012) Thermal barrier coatings for more efficient gas-turbine engines. MRS Bulletin, 37(10), 891–898.
  4. Saini, A.K., Das, D., Pathak, M.K. (2012) Thermal barrier coatings — application, stability and longevity aspects. Procedia Engineering, 38, 3173–3179.
  5. Haynes, J.A., Lance, M.J., Pint, B.A., Wright I.G. (2001) Characterization of commercial EB-PVD TBC systems with CVD (Ni, Pt)Al bond coatings. Coat. Technol., 146–137, 140–146.
  6. Kolomytsev, P.T. (1991) Thermal barrier coatings for nickel alloys. Moscow, Metallurgiya [in Russian].
  7. Guo, H., Sun, L., Li, H., Gong, S. (2008) High temperature oxidation of hafnium modified NiAl bond coat in EB-PVD thermal barrier coating system. Thin Solid Films, 516, 5732–5735.
  8. Naveos, S., Oberlaender, G., Cadoret, Y., Josso, P., Bacos, M.-P. (2004) Zirconium modified aluminide by vapour pack cementation process for thermal barrier applications: Formation mechanisms and properties. Sci. Forum, 461–464, 375–382.
  9. Nesbitt, J.A., Gleeson, B., Sordelet, D., Barrett, C.A. (2003) Pt and Hf additions to NiAl bond coats and their effect on the lifetime of thermal barrier coatings. Ibid., 426–432, 209–214.
  10. Li, D., Guo, H., Peng, H. et al. (2013) Improved alumina scale adhesion of electron beam physical vapor deposited Dy/Hf-doped b-NiAl coatings. Surface Sci., 283, 513–520.
  11. Guo, H., Wang, S., Wang, X., Gong, S. (2010) Cyclic oxidation behaviours of EB-PVD Dy doped b-NiAl coatings at 1100о Int. J. of Modern Physics B, 24(15–16), 3143–3148.
  12. Li, D., Wang, L., Peng, H. et al. (2012) Cyclic oxidation behaviour of b-NiAlDy alloys containing varying aluminium content at 1200 о Progress in Natural Sci.: Materials Int., 22(4), 311–317.
  13. Guo, H., Wang, X., Gong, S. (2010) Effects of Dy on the microstructure and spallation failure of the alumina scales grown on NiAl. J. of Modern Physics B, 24(15–16), 3149–3154.
  14. Zhao, X., Guo, H., Gao, Y. et al. (2011) Effects of Dy on transient oxidation behaviour of EB-PVD b-NiAl coatings at elevated temperatures. Chinese J. of Aeronautics, 24, 363–368.
  15. Yakovchuk, K.Yu., Mikitchik, A.V., Rudoy, Yu.E., Akhtyrsky, A.O. (2016) Diffusion barrier layer for high-temperature protective coatings. Elektrometall., 4, 36–44 [in Russian].
  16. Kositsyn, S.V., Kositsyna, I.I. (2008) Phase and structure transformations in alloys based on nickel monoaluminide. Fiz. Met., 9, 195–258 [in Russian].
  17. Povarova, K.B., Kazanskaya, N.K., Drozdov, A.A., Morozov, A.E. (2006) Physical-chemical principles of interaction between nickel aluminides and alloying elements. I: Formation of solid solutions based on nickel aluminides. Metally, 5, 58–71 [in Russian].
  18. K.B., Kazanskaya, N.K., Drozdov, A.A., Morozov, A.E. (2008) Rare-earth metals in alloys based on nickel aluminides. I: Physical-chemical principles of interaction in systems Ni–Al–REM-AE and Nix–Aly–REM-AE (alloying element). Ibid., 1, 58–64 [in Russian].
  19. Smialek, J.L. (2015) Compiled furnace cyclic lives of EB-PVD thermal barrier coatings. & Coat. Technol., 276, 31–38.

Читати реферат українською
Структура та властивості конденсаційних градієнтних термобар’єрних металокерамічних покриттів зі сполучним шаром NiAl, леговани Y, Hf, Dy

К. Ю. Яковчук1, Ю. Е. Рудой1, А. В. Микитчик1, Е. В. Онопрієнко2
1Державне підприємство «Міжнародний центр електронно-променевих технологій Інституту електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України». 03150, м. Київ-150, вул. Горького (Антоновича), 68. E-mail: yakovchuk@paton-icebt.kiev.ua
2ТОВ «ОПТЕК». 04070, м. Київ, вул. Ільінська, 8. E-mail: Onoprienko@optecgroup.com

Проведено аналіз сучасних методів підвищення службових характеристик жаростійкого сплаву NiAl, що використовується в якості сполучного шару в термобар’єрних покриттях, шляхом введення в його склад активних елементів, наприклад Y, Hf, Dy. Представлені результати дослідження структури і властивостей конденсаційних термобар’єрних покриттів NiAl/ZrO2–8% Y2O3 товщиною 40...50/140...160 мкм на зразках з жароміцного сплаву ЖС-32ВІ з добавками Y, Hf, Dy в NiAl, в тому числі з градієнтним розподілом їх концентрації по товщині шару NiAl. Встановлено, що добавки активних елементів зменшують в 4–5 разів середній розмір зерен конденсованого шару NiAl. Показано, що активні елементи в сполучному шарі виділяються як по границям, так і всередині зерен NiAl у вигляді частинок розміром від 5 нм до 20 мкм в залежності від рівня їх концентрації. Встановлено, що найбільш високою термоциклічною довговічністю при випробуваннях на повітрі по режиму 40...1150 оС мають градієнтні покриття NiAlDy/ZrO2–8 % Y2O3, в яких вміст диспрозію градієнтно збільшується з товщиною шару NiAl, досягаючи максимуму (4...9 %) біля межі розділу з зовнішнім керамічним шаром. Відзначено, що позитивний ефект від введення до складу NiAl Dy, у порівнянні з Y, забезпечується завдяки гальмуванню дифузії Al (приблизно в 1,2 рази), уповільненню швидкості росту шару окалини Al2O3 на межі розділу метал–кераміка і підвищенню адгезії шару окалини за рахунок вростання веретеноподібних виділень оксидів на основі диспрозію в шар окалини. Бібліогр. 19, іл. 13.

Ключові слова: конденсаційні градієнтні термобар’єрні покриття; зовнішній керамічний шар на основі діоксиду цирконію; жаростійкий сполучний шар NiAl; активні елементи Y, Hf, Dy; жароміцні сплави; термоциклічна довговічність термобар’єрних покриттів