Труды КНЦ вып.5 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 5/2015(31))

В Институте высокотемпературной электрохимии УрО РАН разработан способ термодиффузионной обработки металлов и сплавов [1], при котором насыщение ведется из порошковой смеси при механохимической активации поверхности. Порошковая смесь, содержащая диффузант и инертный твердый разбавитель, а в некоторых случаях и химический активатор, подвергается непрерывному перемешиванию во вращающейся со скоростью 5-7 об/мин реторте. Схема применяемого аппарата приведена на рис.1. Насыщение проводится в инертной атмосфере при температуре 300-1000°C и времени выдержки 1-5 ч. При этом изделия подвергаются микроударам твердых частиц в присутствии частиц диффузанта, что позволяет «активировать» диффузионное взаимодействие и существенно снизить температуру процесса для получения покрытий необходимой толщины. В этом состоит основное преимущество данного метода перед используемыми в настоящее время (насыщение в порошковых засыпках и расплавах). Рис.1. Схема установки для нанесения термодиффузионных покрытий: 1 - барабанный реактор; 2 - подшипник скольжения; 3 - насыщающая смесь; 4 - детали; 5 - печь Данным методом наносились алюминидные покрытия на титан, цирконий, никель, железо, молибден, тантал, ниобий, сталь Х18Н10Т, сплав ХН65МВУ. Изучено влияние на процесс следующих параметров: времени (1-8 ч), температуры (500-1000°С), скорости вращения реактора (0-15 об/мин), природы инертного наполнителя (Al 2 O 3 , SiC, WC), крупности инертного наполнителя (исследованы порошки Al 2 O 3 крупностью 150, 180, 500, 800, 2000 и 6000 мкм), наличие и природа химического активатора (NH4Cl, LiCl, Li, смеси Li-LiCl, Ca-CaCl2, Ba-BaCl2, Zn) [2, 3]. Дополнительно изучалась жаростойкость полученных покрытий. Для всех изучаемых материалов удалось получить качественные покрытия, равномерные по толщине. Проводились гравиметрические, металлографические, рентгенофазовые и микрорентгеноспектральные исследования. В зависимости от материала и условий получения толщина покрытия варьируется от нескольких микрон до десятков микрон. Покрытия состоят из интерметаллидных фаз, формирующихся в соответствии с диаграммами состояния. Однако для всех изучаемых материалов не удается обнаружить всех имеющихся на диаграммах состояния [4] фаз. Это может быть связано с малой толщиной конкретных фаз, формирующихся в условиях эксперимента. Показано, что с увеличением времени и температуры растет привес и толщина покрытия на образцах из всех изучаемых материалов. Установлен экстремальный характер зависимости привеса от размера частиц инертного наполнителя (Al2O3, размер частиц 150-6000 мкм). Максимум лежит при размерах частиц корунда в пределах 1000-1800 мкм (рис.2). Установлено, что с ростом твердости частиц механического активатора (корунд, карбид вольфрама, карбид кремния) привесы на образцах уменьшаются. Показано, что введение различных по типу химических активаторов (ионных, электронных, ионно­ электронных) приводит к увеличению привесов в 2 и более раза. Добавление цинка в качестве активатора ведет к его переходу в покрытие, что обеспечивает дополнительную коррозионную защиту образцов. На рисунке 3 показаны результаты микрорентгеноспектрального анализа образца из сплава Э110 с алюминидным покрытием общей толщиной более 50 мкм. У основы расположена фаза ZrAl. По мере удаления от основы фазовый состав сильно усложняется. Исследована жаростойкость полученных покрытий в интервале 600-900°С. На поверхности покрытия образуются оксиды металлов, присутствующих в основе, и алюминия. Результаты исследований в графическом виде представлены на рис.4 и 5. Жаростойкость алитированного циркония при температурах до 700°C увеличена в 3-4 раза. Уменьшение скорости окисления циркониевых образцов наблюдается лишь на начальных этапах процесса. При отжиге длительностью более 12 ч скорость окисления алитированных образцов сравнивается со скоростью окисления неалитированных. Жаростойкость алитированного титана ВТ -1-0 при 875°C повышена в 100 раз по сравнению с непокрытым титаном. 232