Fine structure features of Ni-Al coatings obtained by high velocity atmospheric plasma spraying

Abstract

Introduction. Development of Ni-Al intermetallic compounds is one of the priority directions of modern machine building. Due to such characteristics as high heat resistance, high temperature strength, and low density, nickel aluminides are used as functional coatings in the aerospace industry. The main methods of Ni-Al coating surfacing are High-Velocity Oxygen-Fuel and High-Velocity Air-Fuel spraying (HVOF and HVAF), atmospheric plasma spraying (APS) and its modification such as High-Velocity Atmospheric Plasma spraying (HV-APS) which provides non-equilibrium cooling conditions. Since there are eight different intermetallic compounds, as well as martensite transformation, Ni-Al coatings is quite interesting to study. The work purpose is to study the features of the martensitic structure in HV-APS coatings, and also to establish the effect of heating temperature on its decomposition. Materials and methods. Ni-Al coatings were surfaced onto a low-carbon steel substrate using the HV-APS method. Studies of the fine structure of the coatings were carried out using transmission electron microscopy (TEM). In addition, the influence heating temperature on structural transformations of the coatings was analyzed. Results and discussion. Two types of particles are formed in HV-APS coatings: with a dendritic and granular structure. The most part of HV-APS coatings consists of particles with a two-phase grain structure (NiхAl1-х and γ'-Ni3Al grains). Only NiхAl1-x grains undergo martensitic transformation at cooling. Martensite in large grains (sizes greater than 500 nm) has a lamellar structure, while small grains are completely transformed into one martensite plate. In addition, the coatings contain grains in which martensite plates (NiхAl1-х) and β-phases alternated. It is shown the behavior of martensitic plates at colliding with each other, as well as with the γ′-Ni3Al grain. Heating up to 400 °C contribute the begins of martensite decomposition in individual grains with the release of a secondary phase; after heating up to 600 °C all martensite dissolves.

About the authors

E. E. Kornienko

Email: e.kornienko@corp.nstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-5874-5422
Ph.D. (Engineering), Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, e.kornienko@corp.nstu.ru

I. P. Gulyaev

Email: gulyaev@itam.nsc.ru
ORCID iD: 0000-0001-5186-6793
Ph.D. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, gulyaev@itam.nsc.ru

A. I. Smirnov

Email: micros20t@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3746-8793
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, micros20t@mail.ru

N. V. Plotnikova

Email: n.plotnikova@corp.nstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-8005-1128
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, n.plotnikova@corp.nstu.ru

V. I. Kuzmin

Email: vikuzmin57@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9951-7821
Ph.D. (Engineering), Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, vikuzmin57@mail.ru

V. V. Golovakhin

Email: golovaxin-valera@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3396-8491
Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, golovaxin-valera@mail.ru

A. S. Tambovtsev

Email: alsetams@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1635-9352
Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, alsetams@gmail.com

P. A. Tyryshkin

Email: pavel99730@gmail.com
ORCID iD: 0009-0009-8125-6772
Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, pavel99730@gmail.com

D. V. Sergachev

Email: dsergachev@itam.nsc.ru
ORCID iD: 0000-0003-2469-5946
Ph.D. (Physics and Mathematics), Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, dsergachev@itam.nsc.ru

References

  1. Bochenek K., Basista M. Advances in processing of NiAl intermetallic alloys and composites for high temperature aerospace applications // Progress in Aerospace Sciences. – 2015. – Vol. 79. – P. 136–146. – doi: 10.1016/j.paerosci.2015.09.003.
  2. Microstructure of NiAl-Ta-Cr in situ alloyed by induction-assisted laser-based directed energy deposition / M. Müller, S. Enghardt, M. Kuczyk, M. Riede, E. López, F. Brueckner, A. Marquardt, C. Leyens // Materials & Design. – 2024. – Vol. 238. – P. 112667. – doi: 10.1016/j.matdes.2024.112667.
  3. Composition-dependent interdiffusion coefficient, reduced elastic modulus and hardness in γ-, γ′- and β-phases in the Ni-Al system / L. Zhou, A. Mehta, K. Cho, Y. Sohn // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Vol. 727. – P. 153–162. – doi: 10.1016/j.jallcom.2017.07.256.
  4. Darolia R. Ductility and fracture toughness issues related to implementation of NiAl for gas turbine applications // Intermetallics. – 2000. – Vol. 8 (9–11). – P. 1321–1327. – doi: 10.1016/S0966-9795(00)00081-9.
  5. Formation of multiply twinned martensite plates in rapidly solidified Ni3Al-based superalloys / Y. Li, C. Li, J. Wu, Y. Wu, Z. Ma, L. Yu, H. Li, Y. Liu // Materials Letters. – 2019. – Vol. 250. – P. 147–150. – doi: 10.1016/j.matlet.2019.05.012.
  6. Research status and progress of NiAl based alloys as high temperature structural materials / J. Wang, J. Qian, X. Zhang, Y. Wang // Rare Metals. – 2011. – Vol. 30. – P. 422–426. – doi: 10.1007/s12598-011-0317-2.
  7. High temperature corrosion and wear behavior of HVOF-sprayed coating of Al2O3-NiAl on AISI 304 stainless steel / N. Abuwarda, A.J. Lopez, M.D. Lopez, M.V. Utrilla // Surface and Coating Technology. – 2019. – Vol. 359. – P. 35–46. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.12.047.
  8. Experimental investigations on the chlorine-induced corrosion of HVOF thermal sprayed Stellite-6 and NiAl coatings with fluidised bed biomass/anthracite combustion systems / H. Chi, M.A. Pans, M. Bai, C. Sun, T. Hussain, W. Sun, Y. Yao, J. Lyu, H. Liu // Fuel. – 2021. – Vol. 288. – P. 119607. – doi: 10.1016/j.fuel.2020.119607.
  9. Sadeghimeresht E., Markocsan N., Nylén P. A comparative study on Ni-based coatings prepared by HVAF, HVOF, and APS methods for corrosion protection applications // Journal of Thermal Spray Technology. – 2016. – Vol. 25. – P. 1604–1616. – doi: 10.1007/s11666-016-0474-9.
  10. Sadeghimeresht E., Markocsan N., Nylén P. Microstructural and electrochemical characterization of Ni-based bi-layer coatings produced by the HVAF process // Surface and Coating Technology. – 2016. – Vol. 304. – P. 606–619. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2016.07.080.
  11. Effect of isothermal treatment on Ni3Al coatings deposited by air plasma spraying system / K. Mehmood, M.A. Rafiq, Y.A. Durrani, A.N. Khan // Archives of Metallurgy Materials. – 2018. – Vol. 63. – P. 277–283. – doi: 10.24425/118938.
  12. Study on the oxidation resistance mechanism of self-healable NiAl coating deposited by atmospheric plasma spraying / L. Zhang, D. Wang, X.-J. Liao, R. Chen, X.-T. Luo, C.-J. Li // npj Materials Degradation. – 2023. – Vol. 7. – P. 62. – doi: 10.1038/s41529-023-00383-0.
  13. Microstructure and wear of thermal sprayed composite NiAl-based coatings / O. Poliarus, J. Morgiel, O. Umanskyi, M. Pomorska, P. Bobrowski, M.J. Szczerba, O. Kostenko // Archives of Civil and Mechanicals Engineering. – 2019. – Vol. 19. – P. 1095–1103. – doi: 10.1016/j.acme.2019.06.002.
  14. Microstructure and corrosion behavior of plasma-sprayed nanodiamond-reinforced NiAl nanocomposite coating / K.K. Mirche, K.K. Pandey, S.M. Pandey, A.K. Keshri // Journal of Thermal Spray Technology. – 2023. – Vol. 32. – P. 1299–1310. – doi: 10.1007/s11666-023-01558-6.
  15. Saltykov P., Cornish L., Cacciamani G. Al-Ni binary phase diagram evaluation // MSI Eureka / ed. by G. Effenberg. – MSI, 2004. – URL: https://materials.springer.com/msi/docs/sm_msi_r_20_010238_01 (accessed: 21.08.2024).
  16. Косицин С.В., Косицына И.И. Фазовые и структурные превращения в сплавах на основе моноалюминида никеля // Успехи физики металлов. – 2008. – Т. 9 (2). – С. 195–258. – doi: 10.15407/ufm.09.02.195.
  17. Nanoscale inhomogeneities in melt-spun Ni-Al / P.L. Potapov, P. Ochin, J. Pons, D. Schryvers // Acta Materialia. – 2000. – Vol. 48. – P. 3833–3845. – doi: 10.1016/S1359-6454(00)00188-9.
  18. X-ray study of phase transformations in martensitic Ni-Al alloys / P.L. Potapov, S.Y. Song, V.A. Udovenko, S.D. Prokoshkin // Metallurgical and Materials Transactions A. – 1997. – Vol. 28A. – P. 1133–1142. – doi: 10.1007/s11661-997-0279-z.
  19. Microstructures and interfaces in Ni-Al martensite: comparing HRTEM observations with continuum theories / D. Schryvers, P. Boullay, P.L. Potapov, R.V. Kohn, J.M. Ball // International Journal of Solids and Structures. – 2002. – Vol. 39. – P. 3543–3554. – doi: 10.1016/S0020-7683(02)00167-1.
  20. Kim S.H., Oh M.H., Wee D.M. Effects of ternary additions on the thermoelastic martensitic transformation of NiAl // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2003. – Vol. 34A. – P. 2089–2095. – doi: 10.1007/s11661-003-0273-z.
  21. Electron microscopy study of the formation of Ni5A13 in a Ni62.5A137.5 B2 alloy. I. Precipitation and growth / D. Schryvers, Y. Ma, L. Toth, L. Tanner // Acta Metallurgica et Materialia. – 1995. – Vol. 43 (11). – P. 4045–4056.
  22. Schryvers D., Ma Y. The growth of Ni5Al3 in L10 martensite studied by in situ transmission electron microscopy and high resolution electron microscopy // Journal of Alloys and Compounds. – 1995. – Vol. 221. – P. 227–234. – doi: 10.1016/0925-8388(94)01467-1.
  23. Microstructure evolution of an EB-PVD NiAl coating and its underlying single crystal superalloy substrate / X. Gong, H. Peng, Y. Ma, H. Guo, S. Gong // Journal of Alloys and Compounds. – 2016. – Vol. 672. – P. 36–44. – doi: 10.1016/j.jallcom.2016.02.115.
  24. Characterization and modeling of a martensitic transformation in a platinum modified diffusion aluminide bond coat for thermal barrier coatings / M.W. Chen, M.L. Glynn, R.T. Ott, T.C. Hufnagel, K.J. Hemker // Acta Materialia. – 2003. – Vol. 51. – P. 4279–4294. – doi: 10.1016/S1359-6454(03)00255-6.
  25. Microstructure and properties of Ni-Al coatings obtained by conventional and high-velocity atmospheric plasma spraying / E. Kornienko, I. Gulyaev, A. Smirnov, A. Nikulina, A. Ructuev, V. Kuzmin, A. Tuezov // Results in Surfaces and Interfaces. – 2022. – Vol. 6. – P. 100038. – doi: 10.1016/j.rsurfi.2022.100038.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».