19_Umanskiy.doc Влияние состава покрытий на основе интерметаллидов никеля на механизмы их изнашивания в условиях ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 123 Уманский А.П., Полярус Е.Н., Костенко А.Д., Терентьев А.Е. Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ НИКЕЛЯ НА МЕХАНИЗМЫ ИХ ИЗНАШИВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТРИБОИСПЫТАНИЙ Введение Развитие современной аэрокосмической отрасли, в частности, газотурбостроения определяется возможностями используемых материалов. В связи с этим возникает необходимость поиска и разработ- ки новых композиционных материалов, которые совмещают высокие показатели физико-механических и физико-химических свойств и могут работать в жестких условиях эксплуатации, характерных для совре- менного оборудования [1, 2]. Интерметаллиды системы Ni-Al – алюминиды никеля NiAl и Ni3Al – находят широкое примене- ние в качестве материалов защитных покрытий на деталях аэрокосмической техники и энергетического машиностроения, в том числе на элементах газотурбинных установок и ракетных двигателей различного назначения. Такие материалы предназначены для длительной эксплуатации при высоких температурах в окислительной среде в условиях значительной механической и термической усталости [3-5]. Одним из наиболее перспективных направлений создания новых материалов, работающих в данных условиях, является разработка композитов систем «интерметаллид-тугоплавкое соединение» и покрытий из них для их широкого применения в газотурбинных двигателях, которые эксплуатируются в области высоких температур и нагрузок. Введение в состав интерметаллических покрытий карбидов, бо- ридов и нитридов переходных металлов IV - VI групп периодической системы элементов приведет не только к изменению структуры покрытий, но и в значительной мере повлияет на механизмы окисления, изнашивания упрочняемых поверхностей, а, следовательно, их свойства при эксплуатации в экстремаль- ных условиях. Такой подход позволит получить плотные, стойкие к высокотемпературному окислению и изнашиванию покрытия, обеспечивающие защиту деталей ГТД, таких как: уплотнительные кольца и прокладки турбины, турбинные демпферы, подшипники всасывающей трубы, амортизаторы дефлектора турбины. Первым этапом на пути создания композиционных покрытий систем «интерметаллид- тугоплавкое соединение», работающих при повышенных температурах, является детальное исследование поведения исходных интерметаллических покрытий в условиях трения без смазочных материалов. В свя- зи с этим целью данной работы было исследование влияния состава и начальной температуры трибоис- пытаний на механизмы изнашивания NiAl и Ni3Al покрытий. Материалы и методы исследования В качестве материалов исследования были выбраны плазменные покрытия из серийных порош- ков ПН70Ю30 и ПН85Ю15, которые соответствуют интерметаллидам NiAl и Ni3Al, гранулометрический состав порошков составлял –80 + 40 мкм. Напыление покрытий проводили в открытой атмосфере на плазменной установке УПУ-3Д, модернизированной в Институте проблем материаловедения НАН Ук- раины, в камере напыления 15 ВБ. В качестве плазмообразующих газов использовали смесь аргона и во- дорода, транспортирующий газ – аргон. Триботехнические испытания покрытий проводили на машине трения, оснащенной высокотем- пературным модулем, по схеме «стержень-диск», в паре с контртелом из стали Р18, без смазочных мате- риалов, в диапазоне нагрузок Р = 3–8 МПа. Скорость вращения V = 200 об/мин, пройденный путь S = 1 км, испытания проводили как с предварительным подогревом до T = 550 °С, так и при комнатной температуре (Т = 20 °С). Высокотемпературное окисление на воздухе покрытий проводили с помощью лабораторной электропечи СНОЛ 2.3.1,3/11И2 в диапазоне температур Т = 550 - 950 °С. Интенсивность окисления оп- ределяли с помощью лабораторных электронных весов путем измерения привеса массы материалов до и после испытаний. Изучение микроструктуры окисленных покрытий, а также топографии, структуры поверхностей трения и микрорентгеноспектральный анализ (МРСА) продуктов трибовзаимодействия проводили с по- мощью растрового электронного микроскопа РЭМ-106И. Результаты исследований В данной работе исследовано влияние состава интерметаллических покрытий на основе NiAl, Ni3Al на их триботехнические характеристики при Т = 550 °С. Для покрытий, которые показали более PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние состава покрытий на основе интерметаллидов никеля на механизмы их изнашивания в условиях ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 124 высокие характеристики при высокотемпературных испытаниях – NiAl – с целью определения влияния предварительного нагрева на механизмы изнашивания, были проведены дополнительные исследования их триботехнического поведения при начальной температуре испытаний Т = 20 °С. Результаты интенсивности изнашивания плазменных покрытий при трибоиспытаниях приведе- ны на рис. 1. Рис. 1 – Интенсивность изнашивания плазменных покрытий при трибоиспытаниях При высокотемпературных испытаниях интерметаллических покрытий в диапазоне нагрузок Р = 3 - 6 МПа не наблюдается их существенного износа. При увеличении нагрузки до Р = 6 МПа наблю- дается начало процесса изнашивания, а при Р = 8 МПа этот процесс интенсифицируется и сопровожда- ется потерей массы образцов, которая в пересчете на линейный износ составляет 4,07 мкм/км для покры- тий Ni3Al и 0,75 мкм/км для покрытий NiAl (рис. 1). При этом покрытия из NiAl работают значительно эффективнее, интенсивность их изнашивания в 5 раз меньше этого параметра для покрытий Ni3Al. Полученные результаты подтверждаются соответствующими структурами поверхностей трения покрытий Ni3Al, NiAl (рис. 2). а б Рис. 2 – Поверхности трения плазменных покрытий после испытаний в паре с контртелом Р 18 при Т = 550 °С: а – покрытие Ni3Al; б – покрытие NiAl Зона трения покрытия Ni3Al характеризуется чередующимися участками относительно гладкой поверхности с многочисленными зонами интенсивного повреждения. Эти зоны представляют собой глу- бокие борозды шириной до 20 мкм, которые, очевидно, образуются в результате формирования продук- тов износа на трущихся поверхностях в виде оксидных фаз, их последующего разрушения и внедрения в поверхность трения. В отличие от Ni3Al, зона трения покрытия NiAl (рис. 2, б) представляет собой гладкую поверхность с единичными участками полос скольжения, ширина которых на порядок меньше и не превышает 2 мкм. Очевидно, что существенное различие в величине износа и структуре поверхностей трения по- крытий Ni3Al и NiAl объясняется образованием различных продуктов взаимодействия в процессе трибо- испытаний, что в конечном итоге оказывает влияние на механизмы, а, следовательно, и интенсивность изнашивания. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние состава покрытий на основе интерметаллидов никеля на механизмы их изнашивания в условиях ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 125 Так как трибоиспытания покрытий проводили при высоких температурах, очевидно, что на ра- бочих поверхностях покрытий Ni3Al и NiAl сформировались оксиды различных составов, структуры и свойств. Для подтверждения этого проведено высокотемпературное окисление исследуемых покрытий. По результатам микрорентгеноспектрального анализа видно, что на поверхности покрытия NiAl образу- ется сплошная защитная пленка, которая соответствует Al2O3 (рис. 3, а) Такая пленка, с одной стороны, препятствует дальнейшему окислению покрытия, а с другой – предотвращает адгезионное схватывание покрытия с контртелом. На поверхности покрытия Ni3Al (рис. 3, б) в процессе окисления формируется сложная оксидная пленка на основе Ni и Al, предположительно шпинель. Структура этой пленки не- сплошная и состоит из рыхлых, чешуйчатых слоев, которые недостаточно плотно прилегают друг к дру- гу. В процессе трения такая пленка легко разрушается, что в конечном итоге отрицательно сказывается на износостойкости материала. а б Рис. 3 – Микроструктура покрытий, окисленных при Т = 950 ºС: а – NiAl; б – Ni3Al Для более глубокого исследования поверхностей трения и определения особенностей механиз- мов изнашивания покрытий Ni3Al и NiAl, были изучены состав, микроструктура и топография дорожек трения этих покрытий при большем увеличении. а б Рис. 4 – Поверхность трения плазменного покрытия Ni3Al после испытаний в паре с контртелом Р 18 при Т = 550°С: а – микроструктура и химический состав (фазы 1-3); б – топография Поверхность зоны трения покрытия Ni3Al (рис. 4, а) имеет три характерных участка. Поверх- ность более темного участка (фаза 1) гладкая и характеризуется равномерным распределением линий скольжения без каких-либо зон повреждений (рис. 4, б). Микрорентгеноспектральным анализом уста- новлено, что эта фаза содержит 25,5% Ni, 27,8% Al, 36,5% О (табл. 1). Образование таких оксидных фаз согласуется с результатами высокотемпературного окисления покрытий с учетом того, что на поверхно- сти трения также обнаружено железо в количестве 10,2 %, которое переносится с контртела на материал покрытия в процессе трибоиспытаний. Таким образом, на поверхности формируются сложные оксидные пленки на основе никеля и алюминия, легированные железом. Светлая область характеризуется двумя участками: фазы 2 и 3 (рис. 4). Поверхность трения уча- стка (фаза 2) характеризуется наличием зон повреждений в виде вырывов и сколов материала покрытия. Химический состав данной фазы соответствует интерметаллиду Ni3Al (табл. 1), в нем не обнаружен ки- слород и отсутствует железо. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние состава покрытий на основе интерметаллидов никеля на механизмы их изнашивания в условиях ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 126 Таблица 1 Химический состав поверхностей покрытий Ni3Al и NiAl после трения в паре трения с контртелом из стали Р 18 по результатам микрорентгеноспектрального анализа Ni3Al Т = 550 °С NiAl Т = 550 °С NiAl Т = 20 °С Элемент содержание, масс.% фаза 1 фаза 2 фаза 3 фаза 4 фаза 5 фаза 6 фаза 7 О 36,5 - 6,4 10,3 19,1 5,7 13,9 Al 27,8 15,3 8,3 29,9 14,4 12,7 2,8 Ni 25,5 84,7 74,2 55,5 42,3 68,8 8,4 Fe 10,2 - 11,1 4,3 24,2 12,8 74,9 Механизм изнашивания можно представить следующим образом: в процессе высокотемператур- ных трибоиспытаний на поверхности материала покрытия образуются оксидные пленки на основе нике- ля – шпинели (NiAl2О4), что согласуется с результатами высокотемпературного окисления (рис. 4, б). Та- кие пленки являются рыхлыми, легко отслаиваются и уносятся из зоны трения. В результате происходит адгезионное схватывание покрытия с материалом контртела и формируется структура, представленная на рис. 4, б. Для участка 3 характерно наличие более глубоких по сравнению с участком 1 линий скольжения, которые распределены неравномерно. Фазовый состав соответствует образованию оксидных фаз на ос- нове Ni, Fe и Al. Таким образом, наличие участков адгезионного схватывания на поверхности покрытий Ni3Al объясняет высокую интенсивность их изнашивания (рис. 1). Зона трения покрытия NiAl характеризуется наличием двух фаз: светлой и темной. Состав этих фаз отличается тем, что в темной фазе 5, согласно данным МРСА содержание кислорода в два раза больше, чем в фазе 4 и содержится 24,2% Fe (табл. 1). Очевидно, что в результате предварительного на- грева на поверхности трения сформировались оксидные пленки на основе Al и Ni, а в процессе трения произошел перенос оксида железа с контртела на поверхность покрытия. В целом оба типа оксидов фор- мируют на поверхности покрытия сплошную гладкую пленку, которая имеет достаточно высокую адге- зию к покрытию и предотвращает адгезионное схватывание с контртелом. Топография поверхности тре- ния характеризуется равномерным распределением линий скольжения и отсутствием зон повреждений. Этим объясняются высокие триботехнические характеристики, полученные при испытаниях интерметал- лида NiAl. а б Рис. 5 – Поверхность трения плазменного покрытия NiAl после испытаний в паре с контртелом Р 18 при Т = 550°С: а – микроструктура и химический состав (фазы 4, 5); б – топография Для изучения влияния предварительного нагрева на механизм изнашивания покрытий NiAl в процессе трибоиспытаний, был проведен эксперимент при Т = 20 ºС. Результаты представлены на рис. 1, 6. Величина износа плазменных покрытий NiAl при испытаниях без предварительного подогрева составляет 2,31 мкм/км, что в три раза превышает величину износа покрытий этого состава, испытанных при высоких температурах (рис. 1). Структура поверхности трения покрытия NiAl, испытанного при Т = 20 ºС, состоит из двух фаз: светлой 6 и темной 7 (рис. 6, а). По данным МРСА и в результате изучения топографии поверхности ус- тановлено, что данные фазы идентичны по составу и соответствуют оксиду железа. Отличие фаз по цве- ту объясняется тем, что на поверхности трения формируется оксидная пленка разной толщины. Темные участки 7, характеризующиеся большей толщиной пленки, содержат железо и кислород. Светлые участ- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние состава покрытий на основе интерметаллидов никеля на механизмы их изнашивания в условиях ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 127 ки также содержат пленки оксида железа, однако эти пленки, по-видимому, очень тонкие и при опреде- лении их состава микрозонд регистрирует компоненты интерметаллических покрытий, расположенные под ними. Это подтверждается тем, что в фазе 6 соотношение железа и кислорода такое же, как и в фазе 7 (табл. 1). а б Рис. 6 – Поверхность трения плазменного покрытия NiAl после испытаний в паре с контртелом Р 18 при Т = 20°С: а – микроструктура и химический состав (фазы 6, 7); б – топография Механизм изнашивания покрытий, испытанных при Т = 20 ºС можно представить в следующем виде: в процессе трибоиспытаний в результате локального повышения температуры происходит окисле- ние стального контртела (окисление NiAl происходит менее интенсивно). Оксиды железа переносятся на материал покрытия и, в результате трибовзаимодействия, на поверхности формируются пленки различ- ной толщины. По мере роста более толстые участки пленок под действием нагрузки разрушаются и уно- сятся из зоны трения, что приводит к эрозии покрытий. Этот процесс имеет циклический характер. Таким образом, при трибоиспытаниях покрытий NiAl реализуются окислительные механизмы изнашивания. Однако, образующиеся при высокотемпературных испытаниях на поверхности трения сложные оксиды Al и Ni, работают эффективнее и обеспечивают более высокие триботехнические харак- тернистики, чем оксиды железа, которые формируются на поверхности трения покрытий, испытанных при температуре Т = 20 ºС. Выводы 1. Исследовано влияние состава интерметаллических покрытий на интенсивность и механизмы изнашивания в условиях высокотемпературных трибоиспытаний. Установлено, что износостойкость по- крытий из NiAl в 5 раз выше, чем у покрытий Ni3Al. Это объясняется формированием на поверхности трения NiAl сложных оксидных пленок, которые предотвращают адгезионное схватывание с материалом контртела. 2. Изучено влияние предварительного нагрева на триботехнические характеристики плазменных покрытий NiAl и установлено, что при Т=20ºС реализуется окислительный механизм изнашивания за счет образования оксидов железа на поверхности контртела, их переноса и взаимодействия с материалом покрытия. Формирование оксидных пленок на основе Al и Ni при предварительном нагреве (Т=550ºС) предпочтительнее и приводит к существенному повышению износостойкости покрытий. Литература 1. Henderson M.B., Hannis J., McColvin G., Ogle G. Materials Issuesforthe DesigninIndustrial Gas Turbines, Advaced Materialsand Processes Gas Turbines// TMS. The Minerals, Metals & Materials Society. – 2003. –P.3 - 13. 2. Smarsly W., Singheiser L. Potential of intermetallics to replace superalloys for advanced operation conditions in gas turbines // J. Mat. Adv. Power Eng. – 1994. – PartII. – P. 1731 - 1756. 3. Интерметаллические соединения / [В.А. Брыксин, В.В. Вавилова, С.Н. Горин и др.]; под ред. И.И. Корнилова. – М.: Металлургия, 1970. – 440с. 4. Darolia R., Lahrman D. F., Field R. D. Overview of NiAl forhigh temperature structural application// Ordered Intermetallics-Physical Metallurgy and Mechanical Behavior. – 1992. –Vol. 3. – P. 679 - 698. 5. Тамарин Ю.А. Жаростойкие диффузионны епокрытия лопаток газотурбинных двигателей. – М.: Машиностроение, 1978. – 136 с. Надійшла 17.08.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com