Al3Ti Intermetallic Coatings obtained with Help Gas Dynamic Cold Spray and Heat Treatment

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Titanium alloys are widely used in aerospace, marine and biomedical industries due to its high strength-to-weight ratio and corrosion resistance. Unfortunately, these alloys are also characterized by low oxidation resistance and low wear resistance. An effective solution of this problem is the formation of wear-resistant and heat-resistant coatings on the surface of titanium workpieces. The work purpose is to investigate the influence of heat treatment parameters on the formation of titanium aluminide from Ti-Al duplex coatings obtained by gas dynamic cold spray. Materials and methods. Al3Ti intermetallic coatings were formed on plates made of titanium alloy (Ti – base, Al < 2.5 %, Mn <1.5 %). A layer of titanium powder (Ti – base, N <0.08%, C <0.05%, H <0.4%, Fe + Ni < 0.4%, Si <0.1%, Cl <0.004%) and a layer of aluminum powder (Al> 99.7%) were applied on the substrate using the technology of gas dynamic cold spray. The thickness of each layer was ~ 100 μm. Then the samples with coatings were heated in different regimes (heat temperature was 630, 640, 650, and 660 °C; time holding was 20, 120, and 300 min; cooling medium was air). Structural and phase studies of coatings were carried out with using light microscopy, scanning electron microscopy, and X-ray phase analysis. The results of microhardness measurements are presented. Results. It is established that the intermetallic layer formed at the interface between the titanium and aluminum layers is Al3Ti. The microhardness level of the intermetallic layer is ~ 600 HV. It is showed that the Al3Ti layer thickness varies depending on the heat treatment regimes. The maximum thickness (98.5 μm) of intermetallic layer is observed after heating up to 650 °C and holding during 5 hours. It is established that an increase in the holding time has a greater effect on the increase in the thickness of the Al3Ti than an increase in temperature.

About the authors

K. E. Elena

Email: kornienkoee@gmail.com
Ph.D. (Engineering), Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, kornienkoee@gmail.com

V. D. Anastasia

Email: nastya13-29.98@mail.ru
Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, nastya13-29.98@mail.ru

S. S. Vladislav

Email: v.shikalov@gmail.com
Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, v.shikalov@gmail.com

K. F. Vladimir

Email: vkos@itam.nsc.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, vkos@itam.nsc.ru

V. M. Tomila

Email: vidyuk@itam.nsc.ru
Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, vidyuk@itam.nsc.ru

References

  1. Valkov S., Bezdushnyi R., Petrov P. Synthesis, structure and mechanical properties of Ti-Al-Nb coatings formed by electron beam additive technique // Vacuum. – 2018. – Vol. 156. – P. 140–145. – doi: 10.1016/j.vacuum.2018.07.021.
  2. Chen C., Feng X., Shen Y. Oxidation behavior of a high Si content Al–Si composite coating fabricated on Ti-6Al-4V substrate by mechanical alloying method // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Vol. 701. – P. 27–36. – doi: 10.1016/j.jallcom.2017.01.078.
  3. Microstructure and high-temperature oxidation resistance of Ti-Al-Nb coatings on a Ti-6Al-4V alloy fabricated by laser surface alloying / J. Dai, S. Li, H. Zhang, H. Yu, C. Chen, Y. Li // Surface and Coatings Technology. – 2018. – Vol. 344. – P. 479–488. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.03.060.
  4. Tavoosi M., Arjmand S. In situ formation of Al/Al3Ti composite coating on pure Ti surface by TIG surfacing process // Surfaces and Interfaces. – 2017. – Vol. 8. – P. 1–7. – doi: 10.1016/j.surfin.2017.04.002.
  5. Sitek R., Bolek T., Mizera J. Microstructure and properties of Ti-Al intermetallic/Al2O3 layers produced on Ti6Al2Mo2Cr titanium alloy by PACVD method // Applied Surface Science. – 2018. – Vol. 437. – P. 19–27. – doi: 10.1016/j.apsusc.2017.12.169.
  6. Mitra R. Structural intermetallics and intermetallic matrix composites. – Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2015. – 301 p. – ISBN 978-1-4665-1188-0.
  7. Intermetallics research progress / Y.N. Berdovsky, ed. – New York: Nova Science Publishers, 2008. – 290 p. – ISBN 978-1600219825.
  8. Salehi M., Tahvilian A., Karimzadeh F. Surface characteristics and tribological properties of Ti-Al intermetallic compound coatings on ferrous substrates // Surface Engineering. – 2002. – Vol. 18. – P. 368–372. – doi: 10.1179/026708402225006231.
  9. Formation of detonation coatings based on titanium aluminide alloys and aluminium titanate ceramic sprayed from mechanically alloyed powders Ti-Al / V.E. Oliker, V.L. Sirovatka, I.I. Timofeeva, T.Ya. Gridasova, Ye.F. Hrechyshkin // Surface and Coatings Technology. – 2006. – Vol. 200, iss. 11. – P. 3573–3581. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2005.02.139.
  10. The formation of TiAl3 during heat treatment in explosively welded Ti-Al multilayers / F. Foadian, M. Soltanieh, M. Adely, M. Etminanbakhsh // Iranian Journal of Materials Science and Engineering. – 2014. – Vol. 11, iss. 4. – P. 12–19.
  11. Formation of the intermetallic layers in Ti-Al multilayer composites / V. Mali, D. Lazurenko, I. Bataev, A. Bataev, A. Smirnov, P. Yartsev, V. Bazarkina // Advanced Materials Research. – 2011. – Vol. 311. – P. 236–239. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/AMR.311-313.236' target='_blank'>www.scientific.net/AMR.311-313.236.
  12. Chen Q., Li W., Yang R. Investigation of growth mechanism of plasma electrolytic oxidation coating on Al-Ti double-layer composite plate // Materials (Basel). – 2019. – Vol. 12, iss. 2. – P. 272. – doi: 10.3390/ma12020272.
  13. Detonation spraying of Ti-Al intermetallics: phase and microstructure development of the coatings / D. Dudina, I. Batraev, V. Ulianitsky, N. Bulina, M. Korchagin, O. Lomovsky // Materials and Manufacturing Processes. – 2014. – Vol. 30, iss. 6. – P. 724–729. – doi: 10.1080/10426914.2014.984221.
  14. Fabrication of TiAl intermetallic phases by heat treatment of warm sprayed metal precursors / J. Sienkiewicz, S. Kuroda, R.M. Molak, H. Murakami, H. Araki, S. Takamori, K.J. Kurzydlowski // Intermetallics. – 2014. – Vol. 49. – P. 57–64. – doi: 10.1016/j.intermet.2013.12.011.
  15. Cold-spray coatings: recent trends and future perspectives / P. Cavaliere, ed. – Cham: Springer, 2018. – 569 p. – doi: 10.1007/978-3-319-67183-3_14.
  16. Adachi S., Nakata K. Study of bonding strength of plasma sprayed Ti-Al coating on mild steel substrate // Plasma Processes and Polymers. – 2007. – Vol. 4, iss. S1. – P. S512–S515. – doi: 10.1002/ppap.200731217.
  17. Adachi S., Nakata K. Improvement of adhesive strength of Ti–Al plasma sprayed coating // Surface and Coating Technology. – 2007. – Vol. 201, iss. 9–11. – P. 5617–5620. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2006.07.014.
  18. Oxidation resistance and modification reaction mechanism of Al coating sprayed on pure Ti substrate / Q. Jia, D. Li, S. Guan, Z. Zhang, N. Zhang, W. Zhao // Advances in Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 2018. – Art. 1403521. – doi: 10.1155/2018/1403521.
  19. Поверхностное легирование титана алюминием с использованием метода вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковых смесей / И.А. Батаев, Д.В. Лазуренко, М.Г. Голковский, И.С. Лаптев, И.К. Чакин, И.С. Иванчик // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2017. – № 1. – С. 51–60. – doi: 10.17212/1994-6309-2017-1-51-60.
  20. Холодное газодинамическое напыление: теория и практика / А.П. Алхимов, С.В. Клинков, В.Ф. Косарев, В.М. Фомин. – М.: Физматлит, 2010. – 539 с. – ISBN 978-5-9221-1210-9.

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».