نشریه علوم و مهندسی سطح

نشریه علوم و مهندسی سطح

ایجاد پوشش NiCoCrAlY بر سوپرآلیاژ پایه نیکل به روش Arc-PVD و بررسی تاثیر پارامترهای لایه نشانی بر ریزساختار، مورفولوژی و تغییرات فازی پوشش

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه صنعتی امیرکبیر
2 دانشگاه صنعتی امیرکبیر
3 گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران
چکیده
پوشش‌های ‌NiCoCrAlY توسط فرآیندهای مختلف پاشش حرارتی و نیز رسوب فیزیکی بخار (PVD) اعمال می‌شوند که در این ‌بین استفاده از روش PVD به دلیل تخلخل و ناخالصی کمتر در پوشش، خواص بهتری را فراهم می‌کند. در این پژوهش از روش رسوب فیزیکی بخار با تبخیر قوس کاتدی (Arc-PVD) برای اعمال پوشش NiCoCrAlY بر سوپرآلیاژ پایه نیکلMar-M-200 استفاده شد. بدین منظور پوشش‌هایی در ولتاژ بایاس‌های 180- و 240- ولت و شدت جریان‌های 80 و 110 آمپر ایجاد شد. سپس تاثیر آن بر ریزساختار، چگالی عیوب و ترکیبات فازی پوشش توسط میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به آنالیز EDS مورد بررسی قرار گرفت. نتایج تجربی نشان داد که نرخ پوشش‌دهی در شدت جریان‌های 110 آمپر افزایش می‌یابد، در حالی که با افزایش ولتاژ بایاس ضخامت پوشش کاهش می‌باید. بیشترین ضخامت پوشش در نمونه A110B180 به میزان 13.5 میکرون مشاهده شد. همچنین افزایش شدت جریان قوس منجر به افزایش اندازه و تعداد ماکروذرات تا مقادیر 50 میکرون شد. آزمون پراش پرتو ایکس پوشش‌ها نشان داد فازهای اصلی پوشش شامل γ΄-Ni3Al، γ-Ni و α-Co بوده است و با افزایش شدت جریان از 80 تا 110 آمپر، شدت پیک فازهای γ΄-Ni3Al و γ-Ni افزایش یافت. همچنین با افزایش مقدار ولتاژ بایاس از 180- تا 240- ولت، اندازه بلورک در پوشش افزایش یافت و برعکس با افزایش شدت جریان قوس از 80 به 110 آمپر اندازه بلورک کاهش یافت. کمترین و بیشترین اندازه بلورک به ترتیب در نمونه‌های A110B180 و A80B240 با مقادیر 18 و 24.2 میکرون بدست آمد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]       J. D. Mattingly and K. M. Boyer, “Elements of Propulsion: Gas Turbines and Rockets”, Second Edition. 2016.
[2]        B. M. M. Hetmańczyk, L. Swadźba, “Advanced materials and protective coatings in aero-engines application,” J. Achiev. Mater. Manuf. Eng., vol. 24, no. 1, pp. 372–381, 2007.
[3]        D. Driver, D. W. Hall, and G. W. Meetham, “The Development of Gas Turbine Materials”, 1981.
[4]        O. Knotek, E. Lugscheider, F. Löffler, W. Beele, and C. Barimani, “Arc evaporation of multicomponent MCrAlY cathodes,” Surf. Coatings Technol., vol. 74–75, pp. 118–122, 1995.
[5]        H. Q. Li, Q. M. Wang, S. M. Jiang, J. Gong, and C. Sun, “Ion-plated Al-Al2O3 films as diffusion barriers between NiCrAlY coating and orthorhombic-Ti2AlNb alloy,” Corros. Sci., vol. 52, no. 5, pp. 1668–1674, 2010.
[6]        M. H. Guo, Q. M. Wang, J. Gong, C. Sun, R. F. Huang, and L. S. Wen, “Oxidation and hot corrosion behavior of gradient NiCoCrAlYSiB coatings deposited by a combination of arc ion plating and magnetron sputtering techniques,” Corros. Sci., vol. 48, no. 9, pp. 2750–2764, 2006.
[7]        B. Wang, J. Gong, C. Sun, R. F. Huang, and L. S. Wen, “The behavior of MCrAlY coatings on Ni3Al-base superalloy,” Mater. Sci. Eng. A, vol. 357, no. 1–2, pp. 39–44, 2003.
[8] M. Kheyrodin, F. Mahboubi, and H.Elmkhah, “The Effect of Negative Bias Voltage on the Microstructure and Hot Corrosion Behavior of Heat-treated NiCoCrAlY Coatings Applied Via the Cathodic Arc Evaporation Physical Vapor Deposition Method,” J. Mater. Eng. Perform., vol. 33, pp. 283–300, 2023.
[9]       J. Vetter, “MCrAlY coatings deposited by cathodic vacuum arc evaporation,” J. Adv. Mater., vol. 31, no. 2, pp. 41–47, 1994.
[10]     R. L. Boxman and S. Goldsmith, “Macroparticle contamination in cathodic arc coatings: generation, transport and control,” Surf. Coatings Technol., vol. 52, no. 1, pp. 39–50, 1992.
[11]     U. K. Wiiala, I. M. Penttinen, A. S. Korhonen, J. Aromaa, and E. Ristolainen, “Improved corrosion resistance of physical vapour deposition coated TiN and ZrN,” Surf. Coatings Technol., vol. 41, no. 2, pp. 191–204, 1990.
[12]     S. G. Wang, X. De Bai, B. C. Wang, and Y. D. Fan, “The positive roles of metallic droplets in deposition of alloy films by cathodic arc plasma deposition,” J. Mater. Res., vol. 11, no. 5, pp. 1137–1143, 1996.
[13]     C. X. Tian, C. W. Zou, Z. S. Wang, B. Yang, and D. J. F. Vasuliy, “Influence of Cathodic Arc Current on Structure, Mechanical and Tribological Properties of TiC / a-C : H Nano-multilayer Coatings,” vol. 16, no. 4, pp. 259–269, 2020.
[14]     R. Lan, C. Wang, Z. Ma, G. Lu, P. Wang, and J. Han, “Effects of arc current and bias voltage on properties of AlCrN coatings by arc ion plating with large target,” Mater. Res. Express, vol. 6, no. 11, 2019.
[15]     Y. Xiang and C. Zou, “Effect of Arc Currents on the Mechanical , High Temperature Oxidation and Corrosion Properties of CrSiN,” Coatings, vol. 12, p. 40, 2022.
[16]     X. S. Wan, S. S. Zhao, Y. Yang, J. Gong, and C. Sun, “Effects of nitrogen pressure and pulse bias voltage on the properties of Cr-N coatings deposited by arc ion plating,” Surf. Coatings Technol., vol. 204, no. 11, pp. 1800–1810, 2010.
[17]     V. D. Ovcharenko et al., “Deposition of chromium nitride coatings using vacuum arc plasma in increased negative substrate bias voltage,” Vacuum, vol. 117, pp. 27–34, 2015.
[18]     M. Huang, G. Lin, Y. Zhao, C. Sun, L. Wen, and C. Dong, “Macro-particle reduction mechanism in biased arc ion plating of TiN,” Surf. Coatings Technol., vol. 176, no. 1, pp. 109–114, 2003.
[19]     Y. Lv, L. Ji, X. Liu, H. Li, H. Zhou, and J. Chen, “Influence of substrate bias voltage on structure and properties of the CrAlN films deposited by unbalanced magnetron sputtering,” Appl. Surf. Sci., vol. 258, no. 8, pp. 3864–3870, 2012.
[20]     R. Severens, J. Bastiaanssen, and D. Schram, “High-quality a-Si:H grown at high rate using an expanding thermal plasma,” Surf. Coatings Technol., vol. 97, no. 1, pp. 719–722, 1997.
[21]      M.L.C.Vent’e,D.G.E.Arbel’aez, J.M.Rocha, G.C.M.Rodr’iguez, A.E.G.Ovalle, J. G.Hern’andez, “Effect of Graded Bias Voltage on the Microstructure of arc-PVD CrN Films and its Response in Electrochemical & Mechanical Behavior,” Mater. Sci. Eng., 2018.
[22]     P. J. Kelly and R. D. Arnell, “Magnetron sputtering: A review of recent developments and applications,” Vacuum, vol. 56, no. 3, pp. 159–172, 2000.
[23]     R. Zhang, Y. Liu, C. Wang, F. Cao, Q. Fan, and T. Wang, “Structure and Properties of Arc Ion Plating Deposited AlCrSiN Coatings Controlled by Pulsed Bias Voltage,” Metals (Basel)., vol. 13, no. 8, p. 1448, 2023.
[24]     F. Aliaj, N. Syla, S. Avdiaj, and T. Dilo, “Effect of bias voltage on microstructure and mechanical properties of arc evaporated (Ti, Al)N hard coatings,” Bull. Mater. Sci., vol. 36, no. 3, pp. 429–435, 2013.
[25]     H. Elmkhah, T. F. Zhang, A. Abdollah-zadeh, K. H. Kim, and F. Mahboubi, “Surface characteristics for the TiAlN coatings deposited by high power impulse magnetron sputtering technique at the different bias voltages,” J. Alloys Compd., vol. 688, pp. 820–827, 2016.
[26]     M. Zhang, G. Lin, G. Lu, C. Dong, and K. H. Kim, “High-temperature oxidation resistant (Cr, Al)N films synthesized using pulsed bias arc ion plating,” Appl. Surf. Sci., vol. 254, no. 22, pp. 7149–7154, 2008.
[27]     J. Margueritat, “Optical and vibrational properties of new Nano-Designed materials produced by pulsed laser deposition,” Universit´e Paul Sabatier, 2008.
[28]     A. Feizabadi, M. Salehi Doolabi, S. K. Sadrnezhaad, and M. Rezaei, “Cyclic oxidation characteristics of HVOF thermal-sprayed NiCoCrAlY and CoNiCrAlY coatings at 1000 °C,” J. Alloys Compd., vol. 746, pp. 509–519, 2018.
[29]     X. Tan, X. Peng, and F. Wang, “The effect of grain refinement on the adhesion of an alumina scale on an aluminide coating,” Corros. Sci., vol. 85, pp. 280–286, 2014.
[30]     M. Shen, P. Zhao, Y. Gu, S. Zhu, and F. Wang, “High vacuum arc ion plating NiCrAlY coatings: Microstructure and oxidation behavior,” Corros. Sci., vol. 94, pp. 294–304, 2015.
[31]     L. Guoqiang, B. Xiao, D. Chuang, and W. Lishi, “Substrate temperature calculation for pulsed bias arc ion plating,” Surf. Coatings Technol., vol. 194, no. 2–3, pp. 325–329, 2005.
[32]     P. Patsalas, C. Charitidis, and S. Logothetidis, “The effect of substrate temperature and biasing on the mechanical properties and structure of sputtered titanium nitride thin films,” Surf. Coatings Technol., vol. 125, no. 1–3, pp. 335–340, 2000.