بررسی تخریب فرادمایی پوشش‌های آلومینایدی اصلاح‌شده با ژرمانیوم به روش رسوب‌دهی شیمیایی بخار بر آلیاژ هستلوی X در ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد

اعتمادی کفاش, رضا; اشراقی, محمدجواد; اسدیان, کیوان; هادوی, سیدمحمدمهدی

doi:10.47176/jame.46.1.1196

بررسی تخریب فرادمایی پوشش‌های آلومینایدی اصلاح‌شده با ژرمانیوم به روش رسوب‌دهی شیمیایی بخار بر آلیاژ هستلوی X در ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

رضا اعتمادی کفاش ¹

محمدجواد اشراقی ¹

کیوان اسدیان ¹

سیدمحمدمهدی هادوی ²

¹ گروه مهندسی مواد، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران

² پژوهشکده نیمه هادی‌ها، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران

10.47176/jame.46.1.1196

چکیده

مقدمه و اهداف: در این پژوهش، آزمون ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد به‌عنوان آزمون تخریب فرادمایی و نه آزمون شرایط سرویس عادی بازتعریف شد. هدف، مقایسه پاسخ تخریبی سه پوشش آلومینایدی شامل پوشش مرجع و دو پوشش اصلاح‌شده با ژرمانیوم بر آلیاژ هستلوی ایکس بود.
مواد و روش‌ها: لایه‌های پیش‌ساز ژرمانیوم در دو مسیر ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد به‌مدت چهار ساعت و ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد به‌مدت دو ساعت ایجاد شدند و سپس آلومینایزینگ در دمای ۱۰۲۰ درجه سانتی‌گراد به‌مدت سه ساعت انجام شد. پس از آزمون فرادمایی، تغییر جرم، ریزساختار مقطعی، آنالیز عنصری نیمه‌کمی، نقشه‌برداری عنصری و پراش پرتو ایکس بررسی شد.
یافته‌ها: پس از ۵۵ ساعت آزمون فرادمایی، تغییر جرم پوشش آلومینایدی مرجع ‎Al‎ برابر با -0/09687 mg/cm²‎ و تغییر جرم پوشش اصلاح‌شده Ge900-Al برابر با -0/09421 mg/cm²‎ بود؛ در‌حالی‌که پوشش اصلاح‌شده Ge600-Al تغییر جرم +0/05971 mg/cm²‎ را حفظ کرد. همچنین، Ge900-Al در مقایسه با دو نمونه دیگر شواهد روشن‌تری از بقای نسبی فاز بتا آلومیناید نیکل‎ نشان داد.
نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد که رفتار پوشش‌ها در این آزمون مرزی، تنها تابع حضور ژرمانیوم نیست و به معماری اولیه پوشش، پیوستگی نواحی موثر بر درهم نفوذی و بقای فاز بتا آلومیناید نیکل وابسته است. این نتایج باید با توجه به ماهیت فرادمایی آزمون و محدودیت داده‌های موجود تفسیر شوند.

کلیدواژه‌ها

هستلوی ایکس

پوشش آلومینایدی

اصلاح با ژرمانیوم

تخریب فرا‌دمایی

تغییر جرم

پایداری ریزساختاری

فاز بتا آلومیناید نیکل

موضوعات

مهندسی سطح و پوشش ها

عنوان مقاله English

Over-Temperature Degradation of CVD Germanium-Modified Aluminide Coatings on Hastelloy X at 1400 °C

نویسندگان English

Reza Etemadi Kafash ¹

Mohamad Javad Eshraghi ¹

Keivan Asadian ¹

Seyed Mohammad Mehdi Hadavi ²

¹ Department of Materials Engineering, Materials and Energy Research Center (MERC), Karaj, Iran

² Semiconductor Research Institute, Materials and Energy Research Center (MERC), Karaj, Iran

چکیده English

Introduction and Objectives: This study redefines the 1400 °C experiment as an over-temperature degradation test rather than a conventional service-temperature oxidation test, and evaluates the microstructural stability limit of conventional and germanium-modified aluminide coatings on Hastelloy X.
Materials and Methods: Ge-containing precursor layers were produced by CVD using 600 °C/4 h and 900 °C/2 h routes, followed by CVD aluminizing at 1020 °C for 3 h. The coated specimens were exposed at 1400 °C for 55 h and then characterized by mass-change measurement, cross-sectional BSE observations, semi-quantitative EDS, elemental mapping, and XRD.
Results: In the available dataset, ‎Al‎ and Ge900-Al showed net mass changes of -0.09687 and -0.09421 mg/cm², respectively, whereas Ge600-Al retained a positive net mass change of +0.05971 mg/cm². Ge900-Al showed clearer XRD evidence of retained β-NiAl, while Ge600-Al showed the most favorable mass-change response within the present 55 h window.
Conclusion: The results should be interpreted as a short-window over-temperature degradation response. The behavior of the coatings is controlled not only by Ge addition but also by the initial coating architecture, the continuity of Ge/Cr-bearing barrier-like regions, and the relative retention of β-NiAl. Because the test temperature exceeds the nominal melting range of Hastelloy X, the results are not intended to represent normal service oxidation behavior.

کلیدواژه‌ها English

Hastelloy X, Aluminide coating, Germanium modification, Over-temperature degradation, Mass change, Microstructural stability, &‌beta

-NiAl

1. Goward GW, Boone DH. Mechanisms of formation of diffusion aluminide coatings on nickel-base superalloys. Oxid Met. 1971;3:475-495. https://doi.org/10.1007/BF00604047

2. Zhang Y, Pint BA. Aluminide coatings for power generation applications. Tennessee: Tennessee Technological University/Oak Ridge National Laboratory; 2003. https://doi.org/10.2172/885900

3. Narita T, Izumi T, Nishimoto T, Shibata Y, Thosin KZ, Hayashi S. Advanced coatings for high-temperature applications. In: High temperature corrosion and protection of materials 7. Switzerland: Trans Tech Publications; 2008. p. 619-627.

4. Haynes JA, Zhang Y, Cooley KM, Walker L, Reeves KS, Pint BA. High-temperature diffusion barriers for protective coatings. Surf Coat Technol. 2004;188-189:153-157. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.08.066

5. Pint BA. The role of chemical composition on the oxidation performance of aluminide coatings. Surf Coat Technol. 2004;188-189:71-78. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.08.007

6. Pint BA, Wright IG, Lee WY, Zhang Y, Prüssner K, Alexander KB. Substrate and bond coat compositions: factors affecting alumina scale adhesion. Mater Sci Eng A 1998;245:201-211. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(97)00851-4

7. Pennefather RC, Boone DH. Mechanical degradation of coating systems in high-temperature cyclic oxidation. Surf Coat Technol. 1995;76-77:47-52. https://doi.org/10.1016/0257-8972(95)02551-0

8. Kohlscheen J, Stock HR. Deposition of silicon-enriched nickel aluminide coatings on internally cooled airfoils. Surf Coat Technol. 2008;203:476-479. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.07.024

9. Zare Mohazabie MS, Shahriari Nogorani F. The addition of zirconium to aluminide coatings: the effect of the aluminide growth mode. Surf Coat Technol. 2019;378:125066. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.125066

10. Wang YQ, Suneson M, Sayre G. Synthesis of Hf-modified aluminide coatings on Ni-base superalloys. Surf Coat Technol. 2011;206:1218-1228. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.08.031

11. Galetz MC, Oskay C, Madloch S. Microstructural degradation and interdiffusion behavior of NiAl and Ge-modified NiAl coatings deposited on Alloy 602 CA. Surf Coat Technol. 2019;364:211-217. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.02.048

12. Haynes International. HASTELLOY X alloy brochure [Internet]. Kokomo (IN): Haynes International; 2023 [cited 2026 Jul 27]. Available from: https://haynesintl.com/wp-content/uploads/2023/09/x-brochure.pdf

13. McAlister AJ, Murray JL. The Al-Ge (aluminum-germanium) system. Bull Alloy Phase Diagr. 1984;5:341-347. https://doi.org/10.1007/BF02872948

14. Liu YQ, Ma DJ, Du Y. Thermodynamic modeling of the germanium-nickel system. J Alloys Compd. 2010;491:63-71. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.11.036

15. Jandl I, Reichmann TL, Richter KW. The Ni-rich part of the Al-Ge-Ni phase diagram. Intermetallics 2013;32:200-208. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2012.08.031

16. Zhou C, Cui J, Guo C, Li C, Du Z. Thermodynamic description of the Al-Ge-Ni system over the whole composition and temperature ranges. Calphad 2017;58:138-150. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2017.06.006

17. Qin L, Pei Y, Li S, Zhao X, Gong S, Xu H. Role of volatilization of molybdenum oxides during the cyclic oxidation of high-Mo-containing Ni-based single crystal superalloys. Corros Sci. 2017;129:192–204.https://doi.org/10.1016/j.corsci.2017.08.025

18. da Silva SRM, Rolim GK, Soares GV, Baumvol IJR, Krug C, Miotti L, et al. Oxygen transport and GeO₂ stability during thermal oxidation of Ge. Appl Phys Lett. 2012;100:191907.https://doi.org/10.1063/1.4712619

19. Wang SK, Kita K, Lee CH, Tabata T, Nishimura T, Nagashio K, et al. Desorption kinetics of GeO from GeO₂/Ge structure. J Appl Phys. 2010;108:054104. https://doi.org/10.1063/1.3475990

20. Barjesteh M, Zangeneh Madar K, Abbasi SM, Shirvani K. The effect of platinum layer and aluminizing process on surface roughness of coated superalloy by Pt-Al. J Adv Mater Eng. 2019;38(2):35-53. https://doi.org/10.29252/jame.38.2.35

21. Shahriari Nogorani F, Afari M, Taghipoor MA, Atefi A. Formation and evaluation of oxidation behavior of zirconia-aluminide coating on nickel-based alloy. J Adv Mater Eng. 2020;39(1). https://doi.org/10.47176/jame.39.1.3531