The formation of Al-Si aluminide coatings by pack cementation method on TNM-B1 intermetallic alloy

• Autorzy: Woźniak Mateusz , Góral Marek , Kościelniak Barbara

Identyfikatory

DOI

10.7862/rm.2023.9

Warianty tytułu

PL

Tworzenie się powłok aluminidkowych Al-Si uzyskanych metodą kontaktowo-gazową na podłożu stopu na osnowie fazy międzymetalicznej typu TNM-B1

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The TiAl intermetallics are the promising material for aerospace application. According to its insufficient oxidation resistance above 900°C the using of protective coatings is necessary. The diffusion aluminide coatings based on TiAl2 or TiAl3 phases permits to formation of alumina scale on the surface of TiAl alloys. The pack cementation with Si doping is one of the most popular method of this type of coatings production. In present article the influence of Si content in the pack, process time and temperature during pack cementation process were investigated. The thickness of obtained coating was in range 20-50 μm. When Si content was higher the formation of titanium silicides was observed using almost all analysed values of process parameters. The results showed that using of 24 wt. % Si containing pack and process parameters: 4h/950°C enables to obtain the coating characterized by optimal thickness and structure. The porosity and cracks in coatings according to TiAl phases brittleness was observed.

PL

Fazy międzymetaliczne TiAl są obiecującym materiałem do zastosowań w lotnictwie. Ze względu na niedostateczną odporność na utlenianie powyżej 900°C konieczne jest stosowanie powłok ochronnych. Dyfuzyjne powłoki aluminidkowe na bazie faz TiAl2 lub TiAl3 pozwalają na tworzenie się zgorzeliny tlenku aluminium na powierzchni stopów TiAl. Aluminiowanie metodą kontaktowo gazową z wprowadzaniem Si jest jedną z najpopularniejszych technik wytwarzania tego typu powłok. W niniejszym artykule zbadano wpływ zawartości Si w powłoce w zależności od czasu trwania procesu oraz temperatury. Grubość otrzymanej powłoki zawierała się w przedziale 20-50 μm. Gdy zawartość Si była wyższa, obserwowano powstawanie krzemków tytanu przy prawie wszystkich analizowanych wartościach parametrów procesu. Wyniki pokazały, że użycie proszku zawierającego 24% wag. % Si oraz czasu i temperatury 4h/950°C pozwala na uzyskanie powłoki charakteryzującej się optymalną grubością i strukturą. Zaobserwowano porowatość i spękania powłok.

Słowa kluczowe

EN

pack cementation; TiAl; aluminide coatings; Al-Si coatings; oxidation

PL

metoda kontaktowo-gazowa; TiAl; powłoki aluminidkowe; powłoki Al-Si; utlenianie

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Advances in Mechanical and Materials Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 40, nr 1
• Strony: 79--86
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Woźniak Mateusz

• Doctoral School of Engineering and Technical Sciences at the Rzeszow University of Technology, Rzeszow University of Technology, Powstancow Warszawy 12, Rzeszow, 35-959, Poland

autor

Góral Marek

• Rzeszow University of Technology, Research and Development Laboratory for Aerospace Materials, Zwirki i Wigury 4, 35-959 Rzeszow, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-7058-510X

autor

Kościelniak Barbara

• Rzeszow University of Technology, Research and Development Laboratory for Aerospace Materials, Zwirki i Wigury 4, 35-959 Rzeszow, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1683-0354

Bibliografia

• 1. Bauer, P.P., Klamann, L., Swadźba, R., & Laska, N. (2022). Effect of Si Content on Deposition and High Temperature Oxidation of Al-Si Coatings Obtained by Magnetron Sputtering PVD Method. Coatings, 12(6), 859. https://doi.org/10.3390/coatings12060859
• 2. Bobzin, K., Brögelmann, T., Kalscheuer, C., & Liang, T. (2018). Al-Si and Al-Si-Y coatings deposited by HS-PVD for the oxidation protection of γ-TiAl. Surface and Coatings Technology, 350, 587-595. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.06.074
• 3. Chlupová, A., Heczko, M., Obrtlík, K., Dlouhý, A., Kruml, T. (2020). Effect of heat-treatment on the microstructure and fatigue properties of lamellar γ-TiAl alloyed with Nb, Mo and/or C. Materials Science and Engineering A, 786, 139427. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139427
• 4. Goral, M., Moskal, G., Swadzba, L., & Hetmańczyk, M. (2011). The Influence of Silicon Amount on Structure of Si Modified Aluminide Coating Deposited on Ti46Al7Nb Alloy by Slurry Method. Key Engineering Materials, 465, 251-254. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.465.251
• 5. Goral, M., Moskal, G., Swadzba, L., & Tetsui, T. (2007), Si-modified aluminide coating deposited on TiAlNb alloy by slurry method. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Processing, 21(1), 75-78.
• 6. Jiang, H., Hirohasi, M., Lu, Y., & Imanari, H. (2002). Effect of Nb on the high temperature oxidation of Ti-(0-50 at.%)Al. Scripta Materialia, 46, 639-643. https://doi.org/10.1016/S1359-6462(02)00042-8
• 7. Jiang H.-R., Wang Z.-L., Ma W.-S., Feng X.-R., Dong Z.-Q., Liang Z., Yong L. (2008). Effects of Nb and Si on high temperature oxidation of TiAl. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 18(3), 512-517. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(08)60090-4
• 8. Knaislová, A., Novák, P., Cabibbo, M., Jaworska, L., & Vojtěch, D. (2021). Development of TiAl-Si alloys - a review. Materials, 14(4), 1030. https://doi.org/10.3390/ma14041030
• 9. Liu, Z. C., Lin, J. P., Li, S. J., & Chen, G. L. (2002). Effects of Nb and Al on the microstructures and mechanical properties of high Nb containing TiAl base alloys. Intermetallics, 10(7), 653-659. https://doi.org/10.1016/S0966-9795(02)00037-7
• 10. Locci, I. E., Brady, M. P., & Smialek, J. L. (2000). Long Term Oxidation of Model and Engineering TiAl Al-loys. MRS Online Proceedings Library, 646, 444-449. https://doi.org/10.1557/PROC-646-N5.50.1
• 11. Lu, X., Li, J., Chen, X., Qiu, J., Wang, Y., Liu, B., Liu, Y., Rashad, M., & Pan, F. (2020). Mechanical, tribological and electrochemical corrosion properties of in-situ synthesized Al2O3/TiAl composites. Intermetallics, 120, 106758. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2020.106758
• 12. Moskal, G., Witala, B., & Rozmysłowska, A. (2009). Influence of heat treatment on microstructure of slurry aluminide coatings type TiAlSi obtained on TiAlCrNb alloy. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Processing, 23(2), 204-210.
• 13. Musi, M., Galy, B., Stark, A., Schell, N., Hantcherli, M., Monchoux, J. P., Couret, A., Clemens, H., & Spoerk-Erdely, P. (2022). How Si affects the microstructural evolution and phase transformations of intermetallic γ-TiAl based alloys. Materialia, 24, 101475. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2022.101475
• 14. Novák, P., Michalcová, A., Šerák, J., Vojtěch, D., Fabián, T., Randáková, S., Průša, F., Knotek, V., & Novák, M. (2009). Preparation of Ti-Al-Si alloys by reactive sintering. Journal of Alloys and Compounds, 470(1-2), 123-126. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.02.046
• 15. Rubacha, K., Godlewska, E., Zawadzka, K., & Dąbrowa, J. (2022). Formation of silicide layers on a Ti-46Al-8Ta alloy in pack cementation and diffusion couple experiments. Surface and Coatings Technology, 429, 127860. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127860
• 16. Swadźba, R., Marugi, K., Pyclik, Ł. (2020a). STEM investigations of γ-TiAl produced by additive manufacturing after isothermal oxidation. Corrosion Science, 169, 108617. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108617
• 17. Swadźba, R., Swadźba, L., Mendala, B., Bauer, P. P., Laska, N., & Schulz, U. (2020b). Microstructure and cyclic oxidation resistance of Si-aluminide coatings on γ-TiAl at 850°C. Surface and Coatings Technology, 403, 126361. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126361
• 18. Swadźba, R., Swadźba, L., Mendala, B., Witala, B., Tracz, J., Marugi, K., & Pyclik, Ł. (2017). Characterization of Si-aluminide coating and oxide scale microstructure formed on γ-TiAl alloy during long-term oxidation at 950°C. Intermetallics, 87, 81-89. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2017.04.015
• 19. Wang, J, Kong, L., Wu, J., Li, T., Xiong, T. (2015). Microstructure evolution and oxidation resistance of silicon-aluminizing coating on γ-TiAl alloy. Applied Surface Science, 356, 827-836. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.08.204
• 20. Wendler, B.G., & Kaczmarek, Ł. (2005). Oxidation resistance of nanocrystalline microalloyed γ-TiAl coatings under isothermal conditions and thermal fatigue. Journal of Materials Processing Technology, 164-165, 947-953. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2005.02.158
• 21. Wu, X. (2006). Review of alloy and process development of TiAl alloys. Intermetallics, 14(10-1), 1114-1122. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2005.10.019
• 22. Xiang, Z. D., Rose, S. R., & Datta, P. K. (2003). Codeposition of Al and Si to form oxidation-resistant coatings on γ-TiAl by the pack cementation process. Materials Chemistry and Physics, 80(2), 482-489. https://doi.org/10.1016/S0254-0584(02)00551-5
• 23. Yang, L., Gao, F., Zhou, Z., Jia, Y., Du, Y., Wang, J., Qiao, Y., Zhu, S., & Wang, F. (2023). Oxidation behavior of the AlN coatings on the TiAl alloy at 900°C. Corrosion Science, 211, 110891. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110891
• 24. Zhao, P. -X., Li, X. -B., Xing, W. -W., Chen, B., Ma, Y. -C., & Liu, K. (2023). Cyclic oxidation behavior of Nb/Mn/Si alloying beta-gamma TiAl alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 33(1), 128-140. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(22)66095-3

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).