Difúzne hliníkovanie – difúzne obohatenie povrchov hliníkom, proces, vlastnosti a aplikácie

Difúzna hliníkizácia je proces termochemické spracovanie spočívajúce v difúznom obohatení povrchovej vrstvy materiálu v hliník AlTento proces sa používa predovšetkým na zvýšenie odolnosť voči oxidácii a korózii pri vysokých teplotách, ako aj odolnosť voči určitým agresívnym priemyselným atmosféram.
Počas hliníkovania hliník nielenže vytvára povlak na povrchu. Al difundujú do materiálu a reagujú so zložkami substrátu, čím vytvárajú difúzna vrstva obsahujúce tuhé roztoky a intermetalické fázy.
V prípade ocele a iných zliatin na matrici železo fázy systému Fe–Al sú obzvlášť dôležité, zatiaľ čo v zliatiny na báze niklu môžu sa tvoriť vrstvy obsahujúce fázy systému Ni–Al.
Najdôležitejším účinkom technológie je schopnosť povrchu obohateného hliníkom vytvoriť kompaktnú a stabilnú vrstvu oxidu hlinitého. Al₂O₃, čo obmedzuje ďalšiu oxidáciu materiálu.

Čo je difúzna hliníkácia?

Počas procesu sa povrch materiálu nachádza v prostredí, ktoré poskytuje aktívne hliník.
Pri zvýšených teplotách sa vyskytujú nasledujúce javy:

1. výroba aktívnych foriem hliníka v procesnom prostredí,
2. transport hliníka na povrch materiálu,
3. adsorpcia hliníka na povrchu,
4. difúzia hliníka do substrátu,
5. vzájomná difúzia materiálu a zložiek vrstvy,
6. tvorba tuhých roztokov a intermetalických fáz,
7. vytvorenie povrchovej vrstvy schopnej počas prevádzky vytvárať ochranný povlak bohatý na Al₂O₃.

Proces je do značnej miery riadený difúziou, preto jeho priebeh závisí od teploty, času, aktivity hliníka a chemického zloženia materiálu substrátu.

Prečo hliník chráni povrch pri vysokých teplotách?

hliník má veľmi vysokú afinitu ku kyslíku.
Ak povrch materiálu obsahuje dostatočné množstvo hliníka, pri kontakte s oxidačnou atmosférou sa môže vytvoriť vrstva:

Správne vytvorená vodná škála bohatá na Al₂O₃ je kompaktný, termodynamicky stabilný a vyznačuje sa relatívne nízkou rýchlosťou transportu zložiek cez vrstvu.
Vďaka tomu obmedzuje:

• prístup kyslíka k materiálu,
• transport kovu smerom k povrchu,
• ďalší rast rozsahu,
• rýchlosť degradácie substrátu pri vysokej teplote.

Vďaka tomuto mechanizmu je hliník jedným z najdôležitejších prvkov používaných v materiáloch a ochranných vrstvách určených na prevádzku pri vysokých teplotách.

Štruktúra vrstiev po difúznej hliníkácii

Vrstva vytvorená počas hliníkovania nie je homogénna vrstva čistého hliníka.
Jeho štruktúra závisí od:

• substrátový materiál,
• teplota procesu,
• čas hliníkovania,
• aktivita hliníka,
• obsah legujúcich prvkov,
• mechanizmus rastu vrstvy.

V prípade ocele môže vrstva obsahovať rôzne fázy systému Fe-Al , zatiaľ čo v niklových zliatinách môžu byť dôležité fázy systému Ni-Al.

Fázy Fe–Al v hliníkovaných vrstvách

V prípade substrátu na báze železo difúzia hliník môže viesť k tvorbe intermetalických fáz systému Fe-Al.
V závislosti od lokálneho chemického zloženia a procesných podmienok môžu existovať okrem iného fázy bohaté na hliník, ako napríklad FeAl a Fe₂Al₅ a ďalšie fázy charakteristické pre systém Fe–Al.
Ich podiel závisí od technológie.
Intermetalické fázy môžu poskytovať vysokú chemickú a vysokoteplotnú odolnosť, ale niektoré z nich majú obmedzenú ťažnosť.
Preto je v praxi dôležité kontrolovať nielen celkovú hrúbku vrstvy, ale aj jej fázové zloženie.

Hliníkovanie niklových zliatin

Difúzna hliníkizácia má osobitný význam v prípade superzliatiny na báze niklu používané pri vysokých teplotách.
Počas procesu hliník reaguje s nikela jednou z dôležitých fáz vyskytujúcich sa vo vrstvách aluminidu môže byť β-NiAl.
Táto vrstva je rezervoárom hliníka, čo umožňuje tvorbu ochrannej hliníkovej povlakovej vrstvy.₂O₃.
Roztoky tohto typu sa používajú okrem iného v súčiastkach plynových turbín a iných častiach pracujúcich pri veľmi vysokých teplotách.

Teplota difúznej hliníkácie

Difúzna hliníkácia vyžaduje teplotu, ktorá umožňuje dostatočne rýchlu difúziu. hliník.
V závislosti od materiálu a technológie sa procesy môžu vykonávať v širokom teplotnom rozsahu, často okolo 700-1100 ° C.
Tento rozsah by sa však nemal považovať za univerzálny technologický parameter.
Teplota sa volí v závislosti od:

• substrátový materiál,
• metódy hliníkovania,
• požadovaná hrúbka vrstvy,
• požadované fázové zloženie,
• čas procesu,
• ďalej tepelné spracovanie.

Vplyv času na rast vrstiev

Keďže rast vrstvy je založený na difúzii, zvyšovanie času procesu zvyšuje hĺbku obohatenia materiálu hliníkom.
Rovnako ako v iných difúznych procesoch, rast vrstvy môže za určitých podmienok vykazovať vzťah blízky parabolickému:

kde:

• x – charakteristická hrúbka vrstvy,
• k – koeficient závisiaci okrem iného od teploty a materiálu,
• t - čas.

Zvýšenie teploty zvyšuje rýchlosť difúzie, ale zároveň môže urýchliť tvorbu a rast intermetalických fáz a ovplyvniť mikroštruktúru substrátu.

Metódy difúznej hliníkácie

Hliníkovanie metódou cementácie v bale

Jednou z klasických metód difúznej hliníkácie je cementácia balenia.
Prvok sa umiestni do zmesi obsahujúcej:

• zdroj hliník,
• aktivátor,
• inertný výplňový materiál.

Počas zahrievania sa aktivátor podieľa na tvorbe prchavých zlúčenín, ktoré transportujú hliník na povrch prvku.
Na povrchu prebiehajú chemické reakcie, pri ktorých sa uvoľňuje hliník, ktorý potom difunduje do materiálu.
Proces preto zahŕňa oboje chemický transport v plynnej fáze a difúzia v pevnom stave.

Nízko- a vysokoaktívna hliníkizácia

V technológiách hliníkovania, najmä superzliatin, sa rozlišuje medzi procesmi, ktoré sa líšia aktivitou hliníka.
Jednoducho povedané:

• vysoko aktívny proces podporuje intenzívny transport hliníka smerom k substrátu,
• proces s nízkou aktivitou môže viesť k odlišnému mechanizmu rastu vrstvy s väčším podielom difúzie zložiek substrátu smerom k povrchu.

Mechanizmus rastu ovplyvňuje umiestnenie a zloženie difúznych zón a rozloženie legujúcich prvkov.
Táto otázka je obzvlášť dôležitá pri navrhovaní aluminidových vrstiev na niklové superzliatiny.

Difúzna hliníkizácia a odolnosť voči oxidácii

Najdôležitejšou funkciou hliníkovanej vrstvy je zvýšenie odolnosti voči oxidácii pri vysokých teplotách.
Keď je povrch vystavený kyslíku, hliník reaguje za vzniku Al₂O₃.
Ochranná oxidová vrstva môže:

• spomaliť ďalšiu oxidáciu,
• obmedziť straty materiálu,
• znížiť tempo rastu rozsahu,
• chráňte substrátový materiál pred priamym kontaktom s atmosférou.

Schopnosť obnoviť ochrannú vrstvu závisí od dostupnosti hliníka v difúznej vrstve.
Počas dlhodobej prevádzky sa hliník postupne spotrebúva za vzniku oxidu a môže tiež difundovať smerom k substrátu.

Hliníkovanie a odolnosť voči korózii pri vysokých teplotách

Hliníkované vrstvy môžu zvýšiť odolnosť nielen voči oxidácii na vzduchu, ale aj voči niektorým typom vysokoteplotná korózia.
Používajú sa v prostrediach, ktoré obsahujú okrem iného:

• výfukové plyny,
• zlúčeniny síry,
• produkty spaľovania paliva,
• horúce priemyselné atmosféry.

Účinnosť ochrany však závisí od konkrétneho prostredia. Vrstva Al2O3 _{neposkytuje rovnakú} odolnosť vo všetkých chemických podmienkach.

Difúzna hliníkizácia a difúzna chromizácia

Hliníkovanie a difúzne chrómovanie sú procesy, ktoré zvyšujú odolnosť povrchu predovšetkým jeho obohatením o prvok schopný vytvoriť ochrannú oxidovú vrstvu.

Oba procesy sa dajú použiť na ochranu materiálov pracujúcich pri vysokých teplotách, ale ochranný mechanizmus, stabilita vrstvy a vhodnosť v konkrétnom prostredí závisia od materiálu a prevádzkových podmienok.

Difúzne hliníkovanie a borovanie

Vŕtanie Používa sa predovšetkým na získanie veľmi tvrdých boridových vrstiev s vysokou odolnosťou proti oderu.
Difúzna hliníkizácia má ďalší primárny účel – ochrana materiálu pred chemickou degradáciou a oxidáciou pri vysokých teplotách.

Difúzne hliníkovanie a nitridovanie

Nitridácia spočíva v obohatení povrchu dusík a slúži predovšetkým na zvýšenie tvrdosti, odolnosti proti opotrebovaniu a odolnosti proti únave.
Hliníkovanie vedie k obohateniu povrchu o hliník a zameriava sa predovšetkým na chemickú odolnosť pri vysokých teplotách.
Procesy sa tiež líšia teplotou a typom vytvorených fáz.

Difúzne hliníkovanie a cementovanie

zatiaľ čo nauhličovanie oceľový povrch je obohatený o uhliea potom zvyčajne podrobený kalenie aby sa získala tvrdá martenzitická vrstva.
Pri difúznom hliníkovaní nie je primárnym cieľom získať martenzit alebo maximum tvrdosť, ale zmena chemického zloženia povrchu umožňuje vytvorenie ochrannej vrstvy bohatej na Al₂O₃.

Difúzna hliníkácia superzliatin

Jednou z najdôležitejších oblastí použitia technológie je niklové superzliatiny určené na prácu pri vysokých teplotách.
Aluminidové vrstvy sa používajú okrem iného na:

• lopatky turbíny,
• vedenia turbín,
• prvky spaľovacej komory,
• časti leteckých motorov,
• komponenty plynových turbín.

Vrstva bohatá na hliník umožňuje tvorbu ochrannej vrstvy _{Al2O3 , zatiaľ čo mechanické} vlastnosti pri vysokých teplotách sú zabezpečené vhodne navrhnutou zliatinou substrátu.

Hliníkovanie ako spojovacia vrstva v systémoch TBC

Vrstvy hliníka môžu byť tiež súčasťou zložitejších ochranných systémov používaných pri vysokých teplotách.
W systemach TBC – Tepelne bariérové ​​nátery Kovová vrstva pod keramickým tepelnoizolačným povlakom by mala umožniť vytvorenie stabilnej oxidovej vrstvy.
Hliník obsiahnutý vo spojovacej vrstve môže tvoriť Al₂O₃, ktorá hrá dôležitú úlohu na rozhraní medzi kovovou ochrannou vrstvou a keramickým vonkajším povlakom.
Aluminidy sa môžu použiť samostatne alebo ako substrát pre zložitejšie ochranné systémy.

Vplyv legujúcich prvkov na hliníkovanú vrstvu

Degradácia vrstvy počas prevádzky

Hliníková vrstva nie je nevyčerpateľným zdrojom ochrany.
Počas dlhodobej prevádzky pri vysokých teplotách sa hliník postupne opotrebováva v dôsledku:

• vytvorenie a obnova AI₂O₃,
• difúzia smerom k substrátu,
• vzájomné difúzne procesy zložiek vrstvy a materiálu,
• strata oxidačných produktov v dôsledku praskania alebo odštiepenia vodného kameňa.

Ak obsah hliníka na povrchu klesne pod úroveň, ktorá umožňuje účinnú regeneráciu ochrannej vrstvy, ochranné vlastnosti vrstvy sa môžu zhoršiť.

Dôležitosť tepelnej rozťažnosti

Komponenty pracujúce pri vysokých teplotách sa často opakovane zahrievajú a chladia.
Ochranná vrstva, materiál substrátu a výsledná vodná vrstva môžu mať rôzne koeficienty tepelnej rozťažnosti.
To spôsobuje tepelné namáhanie počas teplotných cyklov.
Dobrá vrstva by preto mala nielen vytvoriť chemicky stabilný hliníkový₂O₃, ale tiež zachovávajú dostatočnú priľnavosť počas opakovaných zmien teploty.

Aplikácia difúznej hliníkácie

Hliníkovanie sa používa predovšetkým pre súčiastky pracujúce pri vysokých teplotách a v agresívnom prostredí.
Medzi typické aplikácie patria:

• komponenty plynových turbín,
• lopatky turbíny,
• komponenty leteckých motorov,
• časti spaľovacích komôr,
• prvky priemyselných pecí,
• potrubia a komponenty vysokoteplotných inštalácií,
• prvky petrochemického priemyslu,
• časti energetických zariadení,
• prvky pracujúce v horúcich plynoch a výfukových plynoch,
• časti vystavené korózii pri vysokých teplotách.

Výhody difúznej hliníkácie

• vysoká odolnosť voči oxidácii pri zvýšených teplotách,
• možnosť vytvorenia ochranného hliníkového povlaku₂O₃,
• metalurgické spojenie vrstvy so substrátom,
• nedostatok klasickej ostrej hranice charakteristickej pre mnohé aplikované nátery,
• možnosť zvýšenia odolnosti voči určitým typom korózie pri vysokých teplotách,
• možno použiť na ocele a superzliatiny,
• možnosť kombinácie mechanických vlastností jadra s vysokou chemickou odolnosťou povrchu.

Obmedzenia difúznej hliníkácie

• vysoká procesná teplota,
• možnosť zmeny mikroštruktúry substrátu,
• riziko rastu krehkých intermetalických fáz,
• možnosť zmeny rozmerov prvku,
• postupné spotrebúvanie hliníkových rezerv počas dlhodobého používania,
• silná závislosť vlastností vrstvy od materiálu substrátu a procesných parametrov,
• potreba zohľadniť vzájomnú difúziu počas dlhodobej prevádzky pri vysokej teplote.

Kontrola kvality hliníkovanej vrstvy

Posúdenie vrstvy po hliníkácii môže zahŕňať:

• meranie hrúbky vrstvy,
• metalografické testy,
• analýza obsahového profilu hliník,
• identifikácia intermetalických fáz,
• analýza difúznej zóny,
• skúšky odolnosti voči oxidácii,
• štúdie cyklickej oxidácie,
• skúšky odolnosti voči korózii pri vysokých teplotách,
• posúdenie priľnavosti a kontinuity vrstvy,
• posúdenie zmien v štruktúre substrátového materiálu.

Pri vysokoteplotných aplikáciách je obzvlášť dôležitá nielen počiatočná štruktúra vrstvy, ale aj jej stabilita počas dlhodobého vystavenia a cyklických zmien teploty.

Difúzna hliníkácia – porovnanie s inými procesmi termochemického spracovania

Difúzna hliníkácia je termochemický proces spracovania spočívajúci v difúznom obohatení povrchovej vrstvy materiálu... hliník.
Najdôležitejším cieľom procesu je získať povrch schopný vytvoriť kompaktnú a stabilnú vrstvu. Al₂O₃, čím sa obmedzuje rýchlosť oxidácie a degradácie materiálu pri vysokej teplote.
V prípade ocele sa vo vrstve môžu tvoriť fázy Fe-Al, zatiaľ čo na niklové superzliatiny Obzvlášť dôležité sú aluminidy niklu vrátane fázy β-NiAl.
Difúzna hliníkácia sa zásadne líši od procesov zameraných primárne na zvýšenie tvrdosťNa rozdiel od cementácie, nitridácie alebo boridovania je jeho najdôležitejšou funkciou chemická ochrana povrchov pri práci pri vysokých teplotách.
Tento proces sa preto používa predovšetkým v energetike, letectve, petrochemickom priemysle, plynových turbínach, priemyselných peciach a iných zariadeniach vystavených dlhodobému pôsobeniu vysokých teplôt a agresívnej atmosféry.

Metódy tepelného a termochemického spracovania ocele

Difúzna hliníkácia je len jedným z procesov používaných na modifikáciu mikroštruktúry a vlastností ocele. V závislosti od požadovaného efektu sa používa aj normalizácia, zmierňovanie pnutia, kalenie, popúšťanie a termochemické procesy, ako je cementácia, nitridácia a ďalšie.

Metódy tepelného spracovania ocele

• Normalizujúca oceľ – zjemnenie zrna a zjednotenie mikroštruktúry.
• Vyhľadávanie odkladov – zníženie zvyškových napätí.
• Mäkčenie ocele – zníženie tvrdosti a zlepšenie náchylnosti na ďalšie spracovanie.
• Úplné žíhanie – austenitizácia a pomalé ochladzovanie.
• Izotermické žíhanie – transformácia vykonaná pri správne zvolenej teplote.
• Žíhanie guľôčok – sféroidizácia – zmena morfológie cementitu alebo iných karbidov.
• Rekryštalizačné žíhanie – odstránenie účinkov drvenia a obnovenie plasticity.
• Homogenizačné žíhanie – zníženie segregácie a homogenizácia zloženia materiálu.
• Kalenie a tepelné spracovanie – tvarovanie mikroštruktúry a vlastností kalením a popúšťaním.
• Popúšťanie ocele – riadená modifikácia vlastností ocele po kalení.
• Indukčné kalenie – povrchový indukčný ohrev a rýchle chladenie.
• Kalenie plameňom – povrchové kalenie po lokálnom ohrevu plameňom.
• Presýtenie – získanie presýteného tuhého roztoku vhodným tepelným cyklom.
• Starnutie – riadená fázová separácia vedúca k spevneniu materiálu.

Metódy termochemického spracovania ocele

• Nitridácia ocele – difúzne obohatenie povrchovej vrstvy dusíkom.
• Cementácia ocele – difúzne obohatenie povrchov uhlíkom.
• Karbonitridácia – súčasné obohatenie povrchovej vrstvy uhlíkom a dusíkom.
• Nitrocementácia / nitrocementácia – obohatenie vrstvy predovšetkým dusíkom a uhlíkom.
• Vŕtanie – difúzne nasýtenie povrchu bórom.
• Difúzne chrómovanie – difúzne obohatenie vrstvy chrómom.
• Difúzna hliníkizácia – difúzne obohatenie vrstvy v hliníku.