Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,570

ЖАРОСТОЙКОcТЬ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ

Платонова Е.C. 1 Бучинскас В. 2 Юров В.М. 3 Гученко С.А. 3
1 Карагандинский государственный технический университет
2 Вильнюсский технический университет им. Гедиминаса
3 Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова
В работе приведены экспериментальные результаты по структуре и жаростойкости многоэлементных покрытий. Для нанесения покрытий использовались композиционные катоды, полученные методом индукционного плавления. Использован ионно-плазменный метод нанесения покрытия. Элементный состав покрытия определялся из энергодисперсионных спектров, полученных на электронном микроскопе. Типы возникающих структур при ионно-плазменном нанесении покрытий не столь многообразны, как, например, при кристаллизации сплавов. В основном наблюдается глобулярная структура и, реже, незамкнутые диссипативные и ячеистые структуры. По потере массы покрытия после термической обработки при 1100 °С в течении 15 часов определена его жаростойкость. Показано, что жаростойкость покрытия непосредственно связана с его поверхностной энергией. Предложена модель и получены формулы, позволяющие прогнозировать тепловые свойства вновь синтезируемых покрытий.
покрытие
структура
жаростойкость
поверхностная энергия
1. Мовчан Б.А., Малашенко И.С. Жаростойкие покрытия, осаждаемые в вакууме. – Киев: Наукова думка, 1983. – 232 с.
2. Мубояджян С.А., Лесников В.П., Кузнецов В.П. Комплексные защитные покрытия турбинных лопаток авиационных ГТД. – Екатеринбург: Изд-во «Квист», 2008. – 208 с.
3. Соболь О.В., Андреев А.А., Горбань В.Ф. и др. О воспроизводимости однофазного структурного состояния многоэлементной высокоэнтропийной системы Ti-V-Zr-Nb-Hf и высокотвердых нитридов на ее основе при их формировании вакуумно-дуговым методом // Письма в ЖТФ. – 2012. – Т. 38, Вып. 13. – С. 40–47.
4. Юров В.М., Лауринас В.Ч., Гученко С.А., Завацкая О.Н. Поверхностное натяжение упрочняющих покрытий // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2014. – № 1. – С. 33–36.
5. Юров В.М. Термодинамика люминесцирующих систем // Вестник КарГУ, сер. Физика. – 2005. – № 3 (39). – С. 13–15.
6. Юров В.М., Портнов В.С., Лауринас В.Ч. и др. Размерные эффекты и физические свойства малых частиц и тонких пленок. – Караганда: Изд-во Казахстанско-Российского ун-та, 2013. – 116 с.
7. Davis J.R. (Ed.) Heat Resistant Materials. – ASM International, 1997. – 591 p.
8. Gao W., Li Zh. (Eds.) Developments in High Temperature Corrosion and Protection of Materials. – Woodhead Publishing Ltd, 2008. – 658 p.
9. Madhusudana Chakravarti V. Thermal Contact Conductance. – Springer International Publishing Switzerland, 2014. – XVIII. – 260 p.
10. Reed R.C. The Superalloys: Fundamentals and Applications. – Cambridge University Press, 2006. – 372 p.

Под жаростойкостью понимают способность материала сопротивляться химическому разрушению при высоких температурах. Уже в 80-х годах прошлого столетия стало понятно, что необходимо идти не по пути создания специальных жаростойких сплавов, а создавать различные технологии нанесения жаростойких покрытий на детали механизмов и машин, работающих в экстремальных условиях [1].

В последующие годы интерес к жаростойким материалам и покрытиям продолжал расти в связи с развитием ракетной и космической техники, энергетики и т.д. [2, 7–10].

В настоящей работе не ставится цель получения жаростойких покрытий. Используя многоэлементные покрытия, мы хотели бы показать связь между жаростойкостью и поверхностной энергией покрытия, а также дать методику расчета поверхностной энергии (поверхностного натяжения) осаждаемых покрытий, используя результаты, полученные в работе [4].

Материалы и методы исследования

Для нанесения покрытий на сталь 45 ионно-плазменным методом на установке ННВ-6.6И1 использовались композиционные катоды, полученные методом индукционного плавления. Количественный анализ элементного состава композиционных катодов проводился на электронном микроскопе JEOL JSM-5910 и представлен в табл. 1.

Таблица 1

Результаты расчета стехиометрии компонентов

Катод

Химическая формула

по данным анализа

Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al

CrMn4,32Si4,64Cu5,26Fe18,39Al67,85

Zn-Al

ZnAl65,45

Mn-Fe-Cu-Al

MnFe10,07Cu17,37Al47,19

Fe-Al

AlFe43,04

Для исследования поверхности покрытий в наномасштабе нами использовался атомно-силовой микроскоп NT-206. Испытания на жаростойкость проводились по ГОСТ 6130-71. Перед началом испытаний все исследуемые образцы были тщательно очищены. Сами испытания на жаростойкость проводились в электрических печах сопротивления типа Г-30 в атмосфере воздуха, с автоматической регулировкой температуры с точностью ± 10 °С. При проведении испытаний использовались специальные керамические тигли. Образцы помещались в тигель, который затем отправлялся в печь.

Жаростойкость оценивалась по массе окислившегося материала. Взвешивание образцов до и после термической обработки проводилось на аналитических весах с точностью до 0,1 мг.

Результаты исследования и их обсуждение

Структура покрытий Zn-Al и Fe-Al, полученная на атомно-силовом микроскопе, (АСМ) показана на рис. 1–2. В первом случае наблюдается глобулярная структура. Такая же структура наблюдается и для покрытий Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al и Mn-Fe-Cu-Al.

Во втором случае наблюдается незамкнутая диссипативная структура. Типы возникающих структур при ионно-плазменном нанесении покрытий не столь многообразны, как, например, при кристаллизации сплавов. В основном наблюдается глобулярная структура и, реже, незамкнутые диссипативные и ячеистые структуры.

В табл. 2 представлены результаты испытаний покрытий на жаростойкость.

Таблица 2

Потеря массы покрытия после термической обработки при 1100 °С в течении 15 часов

Покрытие

Масса окислевшегося покрытия, мг

Образец без покрытия

56,8

Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al

4,2

Zn-Al

5,6

Mn-Fe-Cu-Al

6,8

Fe-Al

14,2

Из табл. 2 следует, что наибольшей жаростойкостью из исследованных нами покрытий обладает покрытие Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al, а наименьшей – Fe-Al. Тем не менее, любое из приведенных выше покрытий значительно увеличивает жаростойкость основы (металлической подложки).

Термодинамическая модель

Если в качестве функции отклика Ф из работы [5] взять жаростойкость χ, то получим:

pl01.wmf, (1)

где А – работа «внешних сил», Т – температура, G0 – потенциал Гиббса массивного образца металла (для чистого металла – это энергия Ферми EF), k – постоянная Больцмана, С1 – постоянная.

Работа «внешних сил» для поверхности и тонких пленок равна энергии их разрушения, т.е. А = σ∙S, где σ – поверхностное натяжение, S – удельная поверхность.

Таким образом, жаростойкость тем больше, чем больше их поверхностная энергия (поверхностное натяжение). В табл. 3 приведены значения поверхностного натяжения исследованных покрытий, полученные по методике [4]. Корреляция между табл. 2 и 3 существует.

Поскольку G0 = a + bT + cT2, то температурной зависимостью χ можно пренебречь и записать (1) для однокомпонентного покрытия в виде:

pl02.wmf, (2)

где С – некоторая постоянная.

Для многоэлементного покрытия, когда не происходит выделение отдельных фаз, будем иметь:

pl03.wmf, (3)

где Xi – мольная или атомная доля соответствующего элемента в покрытии.

Таблица 3

Поверхностное натяжение многоэлементных покрытий

Покрытие

Поверхностное

натяжение, Дж/м2

Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al

1,019

Zn-Al

0,594

Mn-Fe-Cu-Al

0,446

Fe-Al

0,314

Многоэлементные однофазные покрытия получены, например, в работе [3]. В случае наличия отдельных фаз в покрытии (нитридных, сульфидных и т.д.), формулой (3) пользоваться нельзя. В этом случае можно воспользоваться нашей работой [6], где определены значения поверхностного натяжения для нитридов, сульфидов, окислов и т.д. большей части элементов периодической системы Менделеева.

Определение поверхностного натяжения твердых тел – сложная задача, поэтому можно воспользоваться универсальным соотношением [4]:

pl04.wmf, (4)

где Тпл. – температура плавления металла, которая определена с большой точностью для всех элементов.

Заключение

Полученные в настоящей работе формулы, позволяют целенаправленно синтезировать покрытия с заданными термическими свойствами. Основная проблема состоит в генерации многоэлементных плазменных потоков. В большинстве случаев эта проблема не вызывает принципиальных затруднений.

Работа выполнена по программе МОН РК 055 «Научная и/или научно-техническая деятельность», подпрограмма 101 «Грантовое финансирование научных исследований».


plat1.tif

Рис. 1. АСМ изображение покрытия Zn-Al

plat2.tif

Рис. 2. АСМ изображение покрытия Fe-Al


Библиографическая ссылка

Платонова Е.C., Бучинскас В., Юров В.М., Гученко С.А. ЖАРОСТОЙКОcТЬ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 3-2. – С. 174-177;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=6507 (дата обращения: 15.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252