Vliv depozice Al/Ti vrstev technologií studeného kinetického nanášení na snížení vysokoteplotních oxidačních a mechanických vlastností intermetalických Ti-Al-Nb substrátů

Influence of Cold-Sprayed Al/Ti Deposition on High-temperature Oxidation and Mechanical Properties Deterioration of Ti-Al-Nb Intermetallic Substrates

conference paper

en

In the study, four powder blends of Al (oval, 14–77 um) doped with various Ti (angular, 11–50 um) content were prepared as feedstock material for cold spray deposition: Al, Al5Ti, Al15Ti, Al30Ti. Protective layers of the blends designated for deliberate oxidation were then deposited onto Ti-46Al-8Nb intermetallic substrates at 300'C, while preserving their initial chemical composition and retaining their original Al:Ti ratio. No oxidation of the materials during deposition was detected. A two-stage heat-treatment in an inert argon atmosphere (480'C/2hrs + 520'C/3hrs) was then carried out in order to induce desirable diffusion-driven processes to aid the anti-oxidizing performance indicators for the subsequent high temperature testing. Following the treatment, the specimens were subjected to 950'C air exposure for 100, 250 and 500hrs, respectively. It was found that the oxidation of the specimens was substantially reduced for the low-Ti content coatings (an increase in oxide content of 1.37 mg/cm2 and 2.06 mg/cm2 after 500hrs for Al and Al5Ti protected specimens, respectively vs. 1.21 mg/cm2 after 50hrs for non-coated specimens) and that the samples with an increased Ti content in the coatings were more susceptible to oxidation. To obtain information on the influence of coatings deposition on the mechanical properties, four-point bend experiments were performed. The flexural strength of the coated samples reached 630 MPa, slightly lower than 767 MPa of the non-coated specimens. This difference could be possibly attributed to the accumulation of stresses below a coating crack initiation site in the surface-sensitive intermetallic materials. It was found that the reduction of oxidation in the specimens due to the layers deposition did not prevent the deterioration of the mechanical properties as the flexural strength levels dropped to ~350 MPa after the 500hrs exposition (compared to ~460 MPa after 47hrs for non-coated specimens).

V této studii byly připraveny čtyři práškové směsi Al (oválná morfologie, 14–77 um) s různým obsahem ostrohranného Ti (11–50 um) jako vstupní materiál pro depozici pomocí studeného kinetického nanášení: Al, Al5Ti, Al15Ti, Al30Ti. Při teplotě 300'C byly tyto směsi posléze naneseny na intermetalické substráty Ti-46Al-8Nb ve formě ochranných vrstev určených k záměrné oxidaci, aniž by došlo ke změně jejich chemického složení či změně vzájemného poměru Al:Ti. Při depozici dále nebyla detekována žádná oxidace těchto materiálů. Vzorky byly podrobeny dvoustupňovému žíhání v ochranné atmosféře argonu(480'C/2hod + 520'C/3hod) pro vyvolání žádoucích difuzně řízených procesů s cílem přispět ke zvýšení anti-oxidačních indikátorů v průběhu následného testování. Po tomto žíhání byly vzorky vystaveny působení oxidační atmosféry při teplotách 950'C po dobu 100, 250 a 500hod. Bylo zjištěno, že oxidace vzorků byla podstatně redukována pro nástřiky s nízkým obsahem Ti (nárůst obsahu oxidů 1.37 mg/cm2 a 2.06 mg/cm2 po 500hod žíhání pro vzorky s nástřiky Al a Al5Ti vs. 1.21 mg/cm2 po pouhých 50hod u nepovlakovaných vzorků) a že vzorky se vzrůstajícím podílem Ti v nástřicích byly k oxidaci více náchylné. Pro získání informace o vlivu depozice nástřiků na mechanické vlastnosti byly uskutečněny testy čtyřbodovým ohybem. Pevnost v ohybu vzorků s nástřiky dosáhla 630 MPa, tedy o něco níže než 767 MPa vzorků bez nástřiků. Tento rozdíl je zřejmě možné přičíst akumulaci napětí v povrchově citlivých substrátech pod místem iniciace trhlin v nástřicích. Bylo zjištěno, že snížení rychlosti oxidace vzorků díky depozici nástřiků nezabránilo zhoršení mechanických vlastností – pevnost v ohybu se po 500hod působení oxidační atmosféry snížila na ~350 MPa (ve srovnání s hodnotou ~460 MPa již po 47hod u nepovlakovaných vzorků).

In the study, four powder blends of Al (oval, 14–77 um) doped with various Ti (angular, 11–50 um) content were prepared as feedstock material for cold spray deposition: Al, Al5Ti, Al15Ti, Al30Ti. Protective layers of the blends designated for deliberate oxidation were then deposited onto Ti-46Al-8Nb intermetallic substrates at 300'C, while preserving their initial chemical composition and retaining their original Al:Ti ratio. No oxidation of the materials during deposition was detected. A two-stage heat-treatment in an inert argon atmosphere (480'C/2hrs + 520'C/3hrs) was then carried out in order to induce desirable diffusion-driven processes to aid the anti-oxidizing performance indicators for the subsequent high temperature testing. Following the treatment, the specimens were subjected to 950'C air exposure for 100, 250 and 500hrs, respectively. It was found that the oxidation of the specimens was substantially reduced for the low-Ti content coatings (an increase in oxide content of 1.37 mg/cm2 and 2.06 mg/cm2 after 500hrs for Al and Al5Ti protected specimens, respectively vs. 1.21 mg/cm2 after 50hrs for non-coated specimens) and that the samples with an increased Ti content in the coatings were more susceptible to oxidation. To obtain information on the influence of coatings deposition on the mechanical properties, four-point bend experiments were performed. The flexural strength of the coated samples reached 630 MPa, slightly lower than 767 MPa of the non-coated specimens. This difference could be possibly attributed to the accumulation of stresses below a coating crack initiation site in the surface-sensitive intermetallic materials. It was found that the reduction of oxidation in the specimens due to the layers deposition did not prevent the deterioration of the mechanical properties as the flexural strength levels dropped to ~350 MPa after the 500hrs exposition (compared to ~460 MPa after 47hrs for non-coated specimens).

Studené kinetické nanášení, titan, hliník, oxidační odolnost, intermetalika

Cold spray, titanium, aluminum, oxidation control, intermetallics

2014

21.05.2014

DVS Media GmbH

Barcelona, Španělsko

978-3-87155-574-9

International Thermal Spray Conference 2014 Proceedings

903–907

5