Формирование структуры и свойств слоистых жаростойких покрытий системы Al-Fe-Cr

Объект исследования –алюминидные покрытия системы Fe-Cr-Al на поверхности фехралей. Цель работы — разработка методики метрологических исследований установок и нестандартной Цель проекта – повышение жаростойкости покрытий из алюминидов железа на основе исследования закономерностей формирования структурно-механической неоднородности в результате гомо- и гетерогенных реакций в слоистых металлических системах Al-Fe-Cr, полученных с использованием высокоэнергетических импульсных воздействий. Методы исследований – количественная металлография, электронная микроскопия, рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ, микрорентгеноспектральный анализ, измерение микротвердости, тепло и электропроводности, скрайбирование, конечно-элементное моделирование. Исследованы особенности формирования покрытия и диффузионной зоны в слоистых системах Al-Fe-Cr при алитировании методом погружения в расплав с определением взаимосвязи параметров алитирования с составом и количеством образующихся фаз. Выявлены закономерности трансформации структуры, фазового состава и свойств слоистых покрытий системы Al-Fe-Cr при высокотемпературных нагревах. Исследован фазовый состав защитных оксидных пленок на поверхности алюминидных покрытий системы Al-Fe-Cr различного состава. Изучено влияние химического и фазового состава жаростойких покрытий на теплопроводность, удельное электрическое сопротивление и износостойкость слоистых композиций. Проведено моделирование поведения алюминидных покрытий в условиях действия контактных нагрузок, стационарного и нестационарного температурного поля. Разработаны практические рекомендации по применению слоистых жаростойких покрытий системы Al-Fe-Cr. Показано, что структура, химический и фазовый состав получаемых алюминидных покрытий не зависит от температурно-временных условий процесса алитирования, а определяется только химическим составом алюминиевой ванны. Установлено, что для формирования на поверхности сплавов системы Al-Fe-Cr алюминидного покрытия, не содержащего в составе хрупких интерметаллидов, полученную погружением в расплав композицию необходимо подвергать термообработке при 1000 °С. Высокотемпературное воздействие на слоистое покрытие, сформированное на поверхности сплавов системы Al-Fe-Cr, приводит к трансформации его фазового состава в следующей последовательности: Fe(Al,Cr) / Fe3Al(Cr) / FeAl(Cr) → Fe(Al,Cr) / Fe3Al(Cr) → Fe(Al,Cr), за счет снижения содержания алюминия в поверхностном слое. Показано, что в составе защитных оксидных пленок кроме корунда присутствуют оксиды железа и хрома, а увеличение содержания алюминия в поверхностном слое способствует интенсификации роста корунда, появлению метастабильных оксидов алюминия и шпинели. Установлено, что минимальные значения привеса массы, а, соответственно, и глубины проникновения коррозии при высокотемпературных испытаниях (1100 °С) в исследованном временном диапазоне (до 500 ч) показывают алюминидные покрытия на сплаве Х15Ю5. Увеличение содержания Cr в составе покрытия приводит к увеличению глубины проникновения коррозии в 3 раза, что связано с формированием богатых Cr оксидов. Уменьшение содержания хрома в составе покрытия, равно как и его легирование никелем, приводит к резкому росту глубины коррозии. Время сохранения жаростойких свойств, оцененное при экстраполяции данных по изменению концентрации Al в поверхностном слое покрытий при высокотемпературных испытаниях при 1100 °С, составило: для алюминидного покрытия на сплаве Х23Ю5 ~ 20000 ч, на сплаве Х15Ю5 ~ 5000 ч, а на стали Ст3 и 15Х5 – 100-130 ч. Показано, что для алюминидных покрытий системы Al-Fe-Cr свойственно когезионное разрушение самого покрытия, в то время как адгезионное разрушение композиции наблюдается только при очень больших нагрузках и в случае легирования системы Ni. Установлено, что теплопроводность алюминидного покрытия определяется его химическим составом и составляет 10,7 Вт/(м×К) для покрытия с составом 43 ат. % Al, 8 ат. % Cr и 8,4 Вт/(м×К) – с составом 44 ат. % Al, 16 ат. % Cr. Показано, что алюминидные покрытия способствуют повышению удельного электрического сопротивления композиций системы Al-Fe-Cr, а изменение их удельного сопротивления в процессе высокотемпературных нагревов определяется не столько диффузионным перераспределением компонентов между покрытием и подложкой, сколько химическим составом подложки и покрытия, и объемной долей покрытия в составе композиции. Моделирование поведения композиций системы Fe-Cr-Al в условиях действия контактных нагрузок, стационарного и нестационарного температурного поля показало, что покрытия на основе интерметаллидов FeAl и Fe3Al позволяют снизить максимальную величину пластической деформации при склерометрировании в сравнении с более хрупкими интерметаллидами, обеспечивают целостность защищаемого материала, а также выступают в роли термобарьера, обеспечивающего снижение максимальной температуры подложки. Разработаны рекомендации по применению алитированных сплавов системы Fe-Cr-Al в качестве нагревательных элементов на промышленных вакуумных печах. Запатентована технология получения жаростойких алюминидных покрытий системы Fe-Cr-Al на поверхности стальных изделий с использованием высокоэнергетического импульсного воздействия.