In situ анализ кристаллической решетки нитридных однокомпонентных и многослойных покрытий ZrN/CrN в процессе термоциклирования

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Тепловое расширение – важная теплофизическая характеристика материалов, показывающая их расширение при нагревании. Знание этого свойства важно как с научной точки зрения, так и для практического использования. Материалы с низким тепловым расширением широко применяются в электронике, термобарьерных покрытиях и других областях. Несоответствие в тепловом расширении между различными материалами может привести к термическому напряжению на контактных поверхностях. Метод in situ синхротронной рентгеновской дифракции позволяет обнаружить это несоответствие. Термическое напряжение требует анализа коэффициента теплового расширения. Поведение при объемном расширении наблюдается в покрытиях, нанесенных термическим напылением. КТР важен для проектирования и прогнозирования характеристик покрытия при термических нагрузках. Изменение КТР может вызывать трещины и деградацию покрытия. In situ рентгеноструктурный анализ помогает понять тепловое расширение, размер кристаллитов и изменение напряжения и деформации при изменении температуры. Целью работы является интерпретация и использование in situ высокотемпературной рентгенографии в качестве эффективного инструмента для изучения поведения теплового несоответствия подложки из сплава ВК8 (8 вес.% Co, WC-матрица) с покрытиями CrN, ZrN и многослойным покрытием CrZrN, а также характерные различия между однокомпонентными покрытиями и их комбинации в многослойном покрытии. Методика исследования. В работе исследованы образцы нитридных покрытий хрома и циркония, нанесенных на подложки из твердого сплава ВК8. Основополагающим методом в работе является in situ анализ с использованием синхротронного излучения. Были оценены параметр решетки в зависимости от температуры циклирования, коэффициент теплового расширения при нагреве и охлаждении, а также исследовано несоответствие теплового расширения пары «подложка – покрытие» и слоев покрытия в многослойном покрытии. Результаты и обсуждение. Исследованы параметры кристаллической решетки и тепловое расширение покрытий. Параметр решетки всех покрытий уменьшался в процессе термоциклирования, что свидетельствует об испарении азота. Многослойное покрытие имеет наименьшее изменение параметра, возможно, из-за диффузионных барьеров. Искажения кристаллической решетки в одно- и многослойных покрытиях практически одинаковы. Все покрытия проявили тепловое расширение, схожее с подложкой. В многослойном покрытии создаются условия для сжимающих напряжений в одной фазе и растягивающих – в другой, поэтому срок службы многослойных покрытий ожидается высоким.

Об авторах

А. В. Воронцов

Email: vav@ispms.ru
канд. техн. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия, vav@ispms.ru

А. В. Филиппов

Email: Andrey.V.Filippov@yandex.ru
канд. техн. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия, Andrey.V.Filippov@yandex.ru

Н. Н. Шамарин

Email: shnn@ispms.ru
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия, shnn@ispms.ru

Е. Н. Москвичев

Email: em_tsu@mail.ru
канд. физ.-мат. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия, em_tsu@mail.ru

О. С. Новицкая

Email: nos@ispms.tsc.ru
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия, nos@ispms.tsc.ru

Е. О. Княжев

Email: zhenya4825@gmail.com
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия, zhenya4825@gmail.com

Ю. А. Денисова

Email: yukolubaeva@mail.ru
канд. физ.-мат. наук, Институт сильноточной электроники СО РАН, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634055, Россия, yukolubaeva@mail.ru

А. А. Леонов

Email: laa-91@yandex.ru
Институт сильноточной электроники СО РАН, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634055, Россия, laa-91@yandex.ru

В. В. Денисов

Email: volodyadenisov@yandex.ru
канд. техн. наук, Институт сильноточной электроники СО РАН, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634055, Россия, volodyadenisov@yandex.ru

Список литературы

  1. Krishnan R.S., Srinivasan R., Devanarayanan S. Theory of thermal expansion of crystals // Thermal expansion of crystals. – Pergamon Press, 1979. – Ch. 3. – P. 54–104. – (International Series in the Science of the Solid State; vol. 12). – doi: 10.1016/B978-0-08-021405-4.50008-1.
  2. Roy R., Agrawal D.K., McKinstry H.A. Very low thermal expansion coefficient materials // Annual Review of Material Science. – 1989. – Vol. 19. – P. 59–81. – doi: 10.1146/annurev.ms.19.080189.000423.
  3. Padture N.P., Gell M., Jordan E.H. Thermal barrier coatings for gas-turbine engine applications // Science. – 2002. – Vol. 296. – P. 280–284. – doi: 10.1126/science.1068609.
  4. Numerical simulation and analysis of thermal stress distributions for a planar solid oxide fuel cell stack with external manifold structure / C. Wang, J. Yang, W. Huang, T. Zhang, D. Yan, J. Pu, B. Chi, J. Li // International Journal of Hydrogen Energy. – 2018. – Vol. 43. – P. 20900–20910. – doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.08.076.
  5. Dilation behavior of thermal spray coatings / M.L. Bejarano, A. Valarezo, E. Lara-Curzio, S. Sampath // Journal of Thermal Spray Technology. – 2019. – Vol. 28. – P. 1851–1866. – doi: 10.1007/s11666-019-00927-4.
  6. Atmospheric plasma sprayed thick thermal barrier coatings: Microstructure, thermal shock behaviors and failure mechanism / S. Tao, J. Yang, F. Shao, H. Zhao, X. Zhong, Y. Zhuang, J. Sheng, J. Ni, Q. Li, S. Tao // Engineering Failure Analysis. – 2022. – Vol. 131. – doi: 10.1016/j.engfailanal.2021.105819.
  7. Structural and transient internal friction due to thermal expansion mismatch between matrix and reinforcement in Al-SiC particulate composite / S. Kustov, S. Golyandin, K. Sapozhnikov, A. Vincent, E. Maire, G. Lormand // Materials Science and Engineering: A. – 2001. – Vol. 313. – P. 218–226. – doi: 10.1016/S0921-5093(01)00971-6.
  8. Khor K.A., Dong Z.L., Gu Y.W. Plasma sprayed functionally graded thermal barrier coatings // Materials Letters. – 1999. – Vol. 38. – P. 437–444. – doi: 10.1016/S0167-577X(98)00203-1.
  9. Öztürk B., Topcu A., Cora Ö.N. Influence of processing parameters on the porosity, thermal expansion, and oxidation behavior of consolidated Fe22Cr stainless steel powder // Powder Technology. – 2021. – Vol. 382. – P. 199–207. – doi: 10.1016/j.powtec.2020.12.072.
  10. Life time of new SYSZ thermal barrier coatings produced by plasma spraying method under thermal shock test and high temperature treatment / M.R. Loghman-Estarki, R. Shoja Razavi, H. Edris, M. Pourbafrany, H. Jamali, R. Ghasemi // Ceramics International. – 2014. – Vol. 40. – P. 1405–1414. – doi: 10.1016/j.ceramint.2013.07.023.
  11. Thermal shock resistance and thermal insulation capability of laser-glazed functionally graded lanthanum magnesium hexaluminate/yttria-stabilised zirconia thermal barrier coating / M.A. Khan, A.V. Anand, M. Duraiselvam, K.S. Rao, R.A. Singh, S. Jayalakshmi // Materials (Basel). – 2021. – Vol. 14. – doi: 10.3390/ma14143865.
  12. Effect of thermal expansion on the high temperature wear resistance of Ni-20%Cr detonation spray coating on IN718 substrate / N. Purushotham, N.L. Parthasarathi, P.S. Babu, G. Sivakumar, B. Rajasekaran // Surface and Coatings Technology. – 2023. – Vol. 462. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2023.129490.
  13. Mechanism of stress relaxation and phase transformation in additively manufactured Ti-6Al-4V via in situ high temperature XRD and TEM analyses / F.R. Kaschel, R.K. Vijayaraghavan, A. Shmeliov, E.K. McCarthy, M. Canavan, P.J. McNally, D.P. Dowling, V. Nicolosi, M. Celikin // Acta Materialia. – 2020. – Vol. 188. – P. 720–732. – doi: 10.1016/j.actamat.2020.02.056.
  14. Phase transformations and mechanical properties of a Ti36Nb5Zr alloy subjected to thermomechanical treatments / Q.-K. Meng, J.-D. Xu, H. Li, C.-H. Zhao, J.-Q. Qi, F.-X. Wei, Y.-W. Sui, W. Ma // Rare Metals. – 2022. – Vol. 41. – P. 209–217. – doi: 10.1007/s12598-021-01744-x.
  15. Strain evolution in Zr-2.5 wt% Nb observed with synchrotron X-ray diffraction / O.V. Shiman, T. Skippon, E. Tulk, M.R. Daymond // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 146. – P. 35–46. – doi: 10.1016/j.matchar.2018.09.022.
  16. Microstrain effect on thermal properties of nanocrystalline Cu / L.H. Qian, S.C. Wang, Y.H. Zhao, K. Lu // Acta Materialia. – 2002. – Vol. 50. – P. 3425–3434. – doi: 10.1016/S1359-6454(02)00155-6.
  17. Daymond M.R. Internal stresses in deformed crystalline aggregates // Reviews in Mineralogy and Geochemistry. – 2006. – Vol. 63. – P. 427–458. – doi: 10.2138/rmg.2006.63.16.
  18. Effect of macroscopic relaxation on residual stress analysis by diffraction methods / J. Repper, M. Hofmann, C. Krempaszky, B. Regener, E. Berhuber, W. Petry, E. Werner // Journal of Applied Physics. – 2012. – Vol. 112. – P. 64906. – doi: 10.1063/1.4752877.
  19. Fujita F.E. A statistical thermodynamic theory of pre-martensitic tweed structure // Materials Science and Engineering: A. – 1990. – Vol. 127. – P. 243–248. – doi: 10.1016/0921-5093(90)90315-T.
  20. In situ XRD study of the crystal size transition of hydroxyapatite from swine bone / S.M. Londoño-Restrepo, M. Herrera-Lara, L.R. Bernal-Alvarez, E.M. Rivera-Muñoz, M.E. Rodriguez-García // Ceramics International. – 2020. – Vol. 46. – P. 24454–24461. – doi: 10.1016/j.ceramint.2020.06.230.
  21. Optimization of N-doped TiO2 multifunctional thin layers by low frequency PECVD process / L. Youssef, A.J. Kinfack Leoga, S. Roualdes, J. Bassil, M. Zakhour, V. Rouessac, A. Ayral, M. Nakhl // Journal of the European Ceramic Society. – 2017. – Vol. 37. – P. 5289–5303. doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.05.010.
  22. Size effect of thermal expansion and thermal/intrinsic stresses in nanostructured thin films: Experiment and model / R. Daniel, D. Holec, M. Bartosik, J. Keckes, C. Mitterer // Acta Materialia. – 2011. – Vol. 59. – P. 6631–6645. – doi: 10.1016/j.actamat.2011.07.018.
  23. Manjunath N., Santhy K., Rajasekaran B. The effect of strain induced phase transformation on the thermal expansion compatibility of plasma sprayed spinel coating on SOFC metallic interconnect – A study using in situ high temperature X-ray diffraction // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48 (81). – P. 31767–31768. – doi: 10.1016/j.ijhydene.2023.04.322.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).