Национальный ядерный центр Республики Казахстан, Курчатов, Казахстан:

М. К. Скаков, руководитель Института атомной энергии

Б. К. Рахадилов, старший научный сотрудник Института атомной энергии

Государственный университет им. Шакарима города Семей, Семей, Казахстан:

О. А. Степанова, заведующая кафедрой технической физики и теплоэнергетики

Ж. Б. Сагдолдина, PhD докторант, эл. почта: sagdoldina@mail.ru

Приведены результаты исследования формирования интерметаллидных соединений на поверхности сплава TiAl(γ) после нанесения Al-покрытия и последующего вакуумного отжига при температурах 600 и 700 ^оС в течение 2 ч. Диффузионное обогащение поверхности TiAl(γ) алюминием применяется для повышения высокотемпературной жаростойкости сплава. Методом магнетронного напыления на поверхности сплава Ti – 42 Al – 2,5 Cr – 1 Nb – 0,7 Si – 0,5 B (% (ат.)) было получено Al-покрытие толщиной 500 нм. Были изучены фазовый состав и морфология поверхности сплава с Al-покрытием после вакуумного отжига. Процессы, происходящие при вакуумном отжиге, вызывают изменения морфологии покрытия с образованием «бугорков», которые могут служить центрами предпочтительного образования новых соединений Ti – Al. На основе анализа влияния избытка атомов Al на кристаллическую решетку TiAl(γ) показано, что диффузионный процесс протекает без образования структурных вакансий и доминирующими структурными дефектами являются антиструктурные дефекты (Al → Ti). Согласно этому механизму, смещение атомов алюминия в направлении к поверхности кристалла сопровождается релаксацией упругой энергии, связанной с искажениями кристаллической решетки, которая приводит к изменению морфологии поверхности образца после вакуумного отжига. Проведен рентгенофазовый анализ приповерхностных слоев образцов в геометрии параллельного рентгеновского луча при скользящем облучении поверхности образцов рентгеновским пучком под малым углом падения. Результаты фазового анализа приповерхностного тонкого слоя показали образование новых интерметаллидных соединений Al₃Ti, Al₂Ti после отжига при 600 ^оС. Увеличение температуры вакуумного отжига до 700 ^оC не изменяет фазовый состав приповерхностного слоя, наблюдается усиление интенсивности дифракционных рефлексов Al₃Ti относительно рефлексов TiAl и Al₂Ti. Таким образом, нанесением тонких покрытий из Al на поверхность сплава TiAl(γ) и последующим вакуумным отжигом можно модифицировать поверхностные структурно-фазовые свойства сплава с образованием новых интерметаллидных Ti – Al-соединений.

Работа была выполнена в рамках грантового финансирования научных исследований на 2015–2017 гг. Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан, грант 2063/ГФ4.

1. Yamaguchi M., Inui H., Ito K. High-temperature structural intermetallics // Acta materiala. 2000. Vol. 48. P. 307–322.
2. Stolo N. S., Liu C. T., Deevi S. C. Emerging applications of intermetallics // Intermetallics. 2000. Vol. 8. P. 1313–1320.
3. Nuria Cinca, Carlos Roberto Camello Lima, Jose Maria Guilemanya. An overview of intermetallics research and application: Status of thermal spray coatings // J. Mater. Res. Technol. 2013. Vol. 2 (1). P. 75–86.
4. Ильин А. А., Колачев Б. А., Полькин И. С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства : cправочник. — М. : ВИЛС – МАТИ, 2009. — 520 с.
5. Деменок А. О., Ганеев А. А., Деменок О. Б., Кулаков Б. А. Выбор легирующих элементов для сплавов на основе алюминида титана // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2013. Т. 13, № 1. C. 95–102.
6. Masao Miyake, Seiya Tajikara, Tetsuji Hirato. Fabrication of TiAl₃ coating on TiAl-based alloy by Al electrodeposition from dimethylsulfone bath and subsequent annealing // Surface & Coatings Technology 2011. Vol. 205. P. 5141–5146.
7. Goral M., Swadzba L., Moskal G., Jarczyk G., Aguilar J. Diffusion aluminide coatings for TiAl intermetallic turbine blades // Intermetallics. 2011. Vol. 19. P. 744–747.
8. Haanappel V. A. C., Stroosnijder M. F. Ion implantation as research tool for improving oxidation behaviour TiAl based intermetallic alloys // Surface Engineering. 1999. Vol. 15 (2).
9. Zhenyu Liu, Guodong Wang. Improvement of oxidation resistance of γ-TiAl At 800 and 900 ^оC in air by TiAl₂ coatings // Materials Science and Engineering A. 2005. Vol. 397. No 1/2. P. 50–57.
10. Liu J., Dahmen M., Ventzke V., Kashaev N., Poprawe R. The effect of heat treatment on crack control and grain refinement in laser beam welded b-solidifying TiAl-based alloy // Intermetallics. 2013. Vol. 40. P. 65–70.
11. Колачев Б. А., Елагин В. И., Ливанов В. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов : уч. для вузов. — 4-е изд. — М. : МИСИС, 2005. — 432 с.
12. Nakajima H., Sprengel W., Nonaka K. Diffusion in intermetallic compounds // Intermetallics. 1996. Vol. 4. P. 17–28.
13. Sprengel W., Oikawa N., Nakajima H. Single-phase interdiffusion in TiAl // Intermetalics. 1996. Vol. 4. P. 185–189.
14. Fu C. L., Yoo M. H. Bonding mechanisms and point defects in TiAI // lntermetallics. 1993. Vol. 1. P. 59–63.
15. Mishin Y., Herzig Chr. Diffusion in the Ti – Al system // Acta Materialia. 2000. Vol. 48. P. 589–623.
16. Лякишев Н. П. Диаграммы состояния двойных металлических систем. — М. : Машиностроение, 1996. — 498 c.
17. Luo J. S., Li K., Li X. B., Shu Y. J., Tang Y. J. Phase evolution and alloying mechanism of titanium aluminide nanoparticles // Journal of Alloys and Compounds. 2014. Vol. 615. P. 333–337.
18. Сагдолдина Ж. Б., Мамаева А. А. Фазовые превращения системы Ti – Al после ионной имплантации и последующего термического отжига // Цветные металлы. 2010. № 4. С. 82–84.
19. Chu M. S., Wu S. K. The improvement of high temperature oxidation of Ti – 50Al by sputtering Al film and subsequent interdiffusion treatment // Acta Materialia. 2003. Vol. 51. P. 3109–3120.
20. Leyens C., van Liere J. W., Peters M., Kaysser W. A. Magnetron-sputtered Ti – Cr – Al coatings for oxidation protection of titanium alloy // Surface and Coatings Technology. 1998. Vol. 108/109, No. 1–3. P. 30–35.