Том 26 № 3 2024 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Сухов А.В., Сундуков С.К., Фатюхин Д.С. Сборка резьбовых и клеерезьбовых соединений с наложением ультразвуковых колебаний.................................................................................................................................................. 6 Барабошкин К.А., Адигамов Р.Р., Юсупов В.С., Кожевникова И.А., Карлина А.И. Термомеханическая прокатка при производстве обсадных труб (обзор исследований)................................................................................. 24 Двиведи Р., Соматкар А., Чинчаникар С. Моделирование и оптимизация процесса накатывания роликом Al6061-T6 для достижения минимального отклонения от круглости, минимальной шероховатости поверхности и повышения ее микротвердости....................................................................................................................................... 52 Ильиных А.С., Пикалов А.С., Милорадович В.К., Галай М.С. Экспериментальные исследования режимов шлифования рельсов с применением нового скоростного электропривода.................................................................. 66 Карлина Ю.И, Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Оценка возможности контактно-стыковой сварки оплавлением труб из теплоустойчивой стали 15Х5М............................................................................................................................ 79 Гимадеев М.Р., Стельмаков В.А., Шеленок Е.А. Жизненный цикл изделия: мониторинг процессов механической обработки и фильтрация виброакустических сигналов.......................................................................................... 94 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Кислов К.В. Информационные свойства частотных характеристик динамической системы резания при диагностике износа инструментов...................................................................... 114 Абляз Т.Р., Блохин В.Б., Шлыков Е.С., Муратов К.Р., Осинников И.В. Особенности применения электродовинструментов, изготовленных аддитивными технологиями, при электроэрозионной обработке изделий............... 135 Сидоров Е.А., Гриненко А.В., Чумаевский А.В., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Рубцов В.Е., Утяганова В.Р., Осипович К.С., Колубаев Е.А. Закономерности износа плазмотронов при плазменной резке толстолистового проката на токе обратной полярности........................................................... 149 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Семин В.О., Панфилов А.О., Утяганова В.Р., Воронцов А.В., Зыкова А.П. Коррозионные характеристики композитов БрАМц9-2/06Х18Н9Т, полученных двухпроволочным электронно-лучевым аддитивным производством........................................................................................................................................................................ 163 Деванган Р., Шарма Б.П., Шарма Ш.С. Исследование характера изменения твердости композиционных материалов с алюминиевой матрицей, упрочненной золой кокосовой скорлупы и красным шламом, с использованием анализа Тагучи..................................................................................................................................................................... 179 Сапрыкина Н.А., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А. Влияние технологических параметров на микроструктуру и свойства сплава AlSiMg, полученного методом селективного лазерного плавления.............. 192 Бурдилов А.А., Довженко Г.Д., Батаев И.А., Батаев А.А. Методы монохроматизации синхротронного излучения (обзор исследований)................................................................................................................................................ 208 Бурков А.А., Дворник М.А., Кулик М.А., Быцура А.Ю. Износостойкость и коррозионное поведение Cu-Ti-покрытий в растворе SBF......................................................................................................................................... 234 Пугачева Н.Б., Быкова Т.М., Сирош В.А., Макаров А.В. Структурные особенности и трибологические свойства многослойных высокотемпературных плазменных покрытий....................................................................... 250 Шарма Б.П., Деванган Р., Шарма Ш.С. Механические свойства экологически чистых гибридных полимерных композитов с джутовыми волокнами и волокнами сиды сердцелистной...................................................................... 267 Корниенко Е.Е., Гуляев И.П., Смирнов А.А., Плотникова Н.В., Кузьмин В.И., Головахин В., Тамбовцев А.С., Тырышкин П.А., Сергачёв Д.В. Особенности тонкой структуры Ni-Al покрытий, полученных методом HV-APS.................................................................................................................................................................. 286 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 298 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 307 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 09.09.2024. Выход в свет 17.09.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 38,5. Уч.-изд. л. 71,6. Изд. № 112. Заказ 175. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 26 No. 3 2024 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 26 No. 3 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Sukhov A.V., Sundukov S.K., Fatyukhin D.S. Assembly of threaded and adhesive-threaded joints with the application of ultrasonic vibrations...................................................................................................................................... 6 Baraboshkin K.A., Adigamov R.R., Yusupov V.S., Kozhevnikova I.A., Karlina A.I. Thermomechanical rolling in well casing production (research review)......................................................................................................................... 24 Dwivedi R., Somatkar A., Chinchanikar S. Modeling and optimization of roller burnishing of Al6061-T6 process for minimum surface roughness, better microhardness and roundness................................................................................ 52 Ilinykh A.S., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Experimental studies of rail grinding modes using a new high-speed electric drive...................................................................................................................................................... 66 Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Assessment of the possibility of resistance butt welding of pipes made of heat-resistant steel 0.15C-5Cr-Mo................................................................................................................................... 79 Gimadeev M.R., Stelmakov V.A., Shelenok E.A. Product life cycle: machining processes monitoring and vibroacoustic signals fi lterings.................................................................................................................................................................... 94 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Kislov K.V. Information properties of frequency characteristics of dynamic cutting systems in the diagnosis of tool wear....................................................................................................................... 114 Ablyaz T.R., Blokhin V.B., Shlykov E.S., Muratov K.R., Osinnikov I.V. Features of the use of tool electrodes manufactured by additive technologies in electrical discharge machining of products....................................................... 135 Sidorov E.A., GrinenkoA.V., ChumaevskyA.V., Panfi lovA.O., Knyazhev E.O., NikolaevaA.V., CheremnovA.M., Rubtsov V.E., Utyaganova V.R., Osipovich K.S., Kolubaev E.A. Patterns of reverse-polarity plasma torches wear during cutting of thick rolled sheets..................................................................................................................................... 149 MATERIAL SCIENCE Semin V.O., Panfi lov A.O., Utyaganova V.R., Vorontsov A.V., Zykova A.P. Corrosion properties of CuAl9Mn2/ER 321 composites formed by dual-wire-feed electron beam additive manufacturing................................ 163 Dewangan R., Sharma B.P., Sharma S.S. Investigation of hardness behavior in aluminum matrix composites reinforced with coconut shell ash and red mud using Taguchi analysis............................................................................ 179 Saprykina N.А., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А. The eff ect of technological parameters on the microstructure and properties of the AlSiMg alloy obtained by selective laser melting......................................................... 192 Burdilov A.A., Dovzhenko G.D., Bataev I.A., Bataev A.A. Methods of synchrotron radiation monochromatization (research review).................................................................................................................................................................. 208 Burkov A.A., Dvornik M.A., Kulik M.A., Bytsura A.Yu. Wear resistance and corrosion behavior of Cu-Ti coatings in SBF solution..................................................................................................................................................................... 234 Pugacheva N.B., Bykova T.M., Sirosh V.A., MakarovA.V. Structural features and tribological properties of multilayer high-temperature plasma coatings........................................................................................................................................ 250 Sharma B.P., Dewangan R., Sharma S.S. Characterizing the mechanical behavior of eco-friendly hybrid polymer composites with jute and Sida cordifolia fi bers.................................................................................................................... 267 Kornienko E.E., Gulyaev I.P., Smirnov A.I., Plotnikova N.V., Kuzmin V.I., Golovakhin V., Tambovtsev A.S., Tyryshkin P.A., Sergachev D.V. Fine structure features of Ni-Al coatings obtained by high velocity atmospheric plasma spraying.................................................................................................................................................................... 286 EDITORIALMATERIALS 298 FOUNDERS MATERIALS 307 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 286 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Особенности тонкой структуры Ni-Al покрытий, полученных методом HV-APS Елена Корниенко 1, а, *, Игорь Гуляев 2, b, Александр Смирнов 1, c, Наталья Плотникова 1, d, Виктор Кузьмин 2, e, Валерий Головахин 1, f, Александр Тамбовцев2, g, Павел Тырышкин 2, h, Дмитрий Сергачев 2, i 1 Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия 2 Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, ул. Институтская, 4/1, г. Новосибирск, 630090, Россия a https://orcid.org/0000-0002-5874-5422, e.kornienko@corp.nstu.ru; b https://orcid.org/0000-0001-5186-6793, gulyaev@itam.nsc.ru; c https://orcid.org/0000-0003-3746-8793, micros20t@mail.ru; d https://orcid.org/0000-0002-8005-1128, n.plotnikova@corp.nstu.ru; e https://orcid.org/0000-0002-9951-7821, vikuzmin57@mail.ru; f https://orcid.org/0000-0003-3396-8491, golovaxin-valera@mail.ru; g https://orcid.org/0000-0003-1635-9352, alsetams@gmail.com; h https://orcid.org/0009-0009-8125-6772, pavel99730@gmail.com; i https://orcid.org/0000-0003-2469-5946, dsergachev@itam.nsc.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 3 с. 286–297 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-286-297 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.793.71 История статьи: Поступила: 14 июня 2024 Рецензирование: 14 июля 2024 Принята к печати: 07 августа 2024 Доступно онлайн: 15 сентября 2024 Ключевые слова: Высокоскоростное плазменное напыление Покрытие Ni-Al HV-APS Финансирование Работа выполнена в рамках государственного задания ИТПМ СО РАН. Благодарности Исследования выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов». АННОТАЦИЯ Введение. В последние десятилетия интерметаллиды системы Ni-Al заняли особое место как высокотемпературные функциональные покрытия, применяемые в аэрокосмической промышленности. В качестве основных методов их нанесения используют высокоскоростное кислородно-топливное и воздушно-топливное напыление (HVOF и HVAF), атмосферное плазменное напыление (APS), а также его модификацию – метод HV-APS, для которого характерна сверхзвуковая скорость плазменного потока. Система Ni-Al достаточно интересна для изучения, поскольку в ней возможно образование восьми различных интерметаллидов, а также мартенсита, который при последующем нагреве распадается. Цель работы: исследовать особенности мартенситной структуры в HV-APS-покрытиях, а также установить влияние температуры нагрева на его распад. Материалы и методики. Ni-Al-покрытия наносили методом HV-APS на подложку из низкоуглеродистой стали. Исследования тонкой структуры покрытий проводили при помощи просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Кроме того, анализировали структурные превращения, протекающие в покрытиях, после нагрева в печи при температурах от 300 до 600 °С. Результаты и обсуждение. Показано, что в HV-APS-покрытиях формируется два типа частиц: с дендритным и зёренным строением. Структура HV-APS-покрытий в основном представляет собой частицы с двухфазным зёренным строением (зёрна NiхAl1-х и γ′-Ni3Al). При охлаждении материала покрытий только зёрна фазы NiхAl1-х испытывают мартенситное превращение. Выявлено, что в крупных зёрнах (размерами более 500 нм) мартенсит имеет пластинчатое строение, мелкие зёрна полностью трансформируются в одну мартенситную пластину. Кроме того, в покрытиях встречаются зёрна, в которых пластины мартенсита (NiхAl1-х) и β-фазы чередуются. В работе показано поведение мартенситных пластин при столкновении друг с другом, а также с фазой γ′-Ni3Al. Выявлено, что при нагреве до 400 °С в отдельных зёрнах начинается распад мартенсита с выделением вторичной фазы. После отпуска при 600 °С весь мартенсит распадается. Для цитирования: Особенности тонкой структуры Ni-Al покрытий, полученных методом HV-APS / Е.Е. Корниенко, И.П. Гуляев, А.А. Смирнов, Н.В. Плотникова, В.И. Кузьмин, В. Головахин, А.С. Тамбовцев, П.А. Тырышкин, Д.В. Сергачёв // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 3. – С. 286–297. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-286-297. ______ *Адрес для переписки Корниенко Елена Евгеньевна, к.т.н., доцент Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, 630073, г. Новосибирск, Россия Тел.: 8 (383) 346-53-59, e-mail: e.kornienko@corp.nstu.ru Введение В настоящее время разработка интерметаллидных материалов конструкционного назначения является одним из приоритетных направлений развития современного машиностроения. Благодаря сочетанию таких характеристик, как высокая жаростойкость и теплопроводность, способность сохранять прочность и жесткость при высоких температурах и относительно низкая плотность [1–3], алюминиды никеля применяются в качестве материалов для компонентов авиационных двигателей, газовых турбин и теплообменников [4–6]. Стоит отметить, что
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 287 MATERIAL SCIENCE сплавы системы Ni-Al, будучи высокотемпературными материалами, имеют низкую пластичность и вязкость разрушения при комнатной температуре [6], и это ограничивает их применение в качестве объемных деталей. В свою очередь, использование алюминидов никеля как функциональных покрытий является хорошим решением этой проблемы. На сегодняшний день среди методов нанесения Ni-Al-покрытий особое место занимают высокоскоростное кислородно-топливное напыление (HVOF) [7–9], высокоскоростное воздушно-топливное напыление (HVAF) [9, 10] и атмосферное плазменное напыление (APS) [11–14], а также его модификация – метод HV-APS, для которого характерна сверхзвуковая скорость плазменного потока. В системе Ni-Al возможно образование восьми стабильных и метастабильных интерметаллидов [15], наиболее перспективными из которых являются алюминиды, расположенные в богатой никелем части фазовой диаграммы, такие как γ′-Ni3Al и β-NiAl (рис. 1) [3, 16, 17]. Твердые растворы β-NiAl имеют широкую область гомогенности (43–70 ат. % Ni при температуре 1400 °C), которая сужается до 45–60 ат. % Ni при комнатной температуре [3, 16]. В диапазоне высоких концентраций Ni охлаждение β-фазы сопровождается образованием смеси β- и γ′-фаз, при этом зёрна фазы β-NiAl часто имеют разный химический состав. В кристаллах β-фазы с содержанием более 62,3 ат. % Ni протекает мартенситное превращение B2→L10, температура начала которого (Ms) изменяется согласно разным источникам от –200 до ~ 650 или 900 °C [17–19] в зависимости от концентрации Ni. Последующий нагрев сплавов с 62,5–68,0 ат. % Ni способствует выделению фазы Ni5Al3 или метастабильной фазы Ni2Al [20–22]. Отметим, что покрытия подобного состава часто используются в качестве связующего слоя между основным материалом и керамическим теплозащитным покрытием (YSZ) [23]. Авторами работы [24] показано, что мартенситное превращение, происходящее в металлическом подслое, может являться причиной разрушения керамического покрытия из-за изменений объема при превращении β-фазы в мартенсит, которые могут вызывать деформацию. Таким образом, исследование структурно-фазового состояния, а также понимание структурных превращений являются приоритетными задачами при получении Ni-Al-покрытий, поскольку от этого будут зависеть как функциональные и механические, так и технологические свойства. Цель настоящей работы: исследовать особенности мартенситной структуры Ni-Alпокрытий, полученных методом HV-APS. Для достижения цели решались следующие задачи: ● исследование структуры, формирующейся в покрытиях; ● изучение особенностей мартенситного строения в зависимости от размера зёрен; ● изучение поведения мартенситных пластин при столкновении с другими структурными составляющими; ● исследование влияния температуры нагрева на структуру полученных покрытий. Методика экспериментального исследования В качестве объекта исследований выступали покрытия толщиной 500…600 мкм из порошка ПН85Ю15 (75 ат. % Ni и 25 ат. %Al) крупностью 40…100 мкм, нанесенные на диски из стали 20 диаметром 20 мм и толщиной 8 мм. Для нанесения покрытий использовали установку плазРис. 1. Часть диаграммы состояния Ni-Al Fig. 1. Part of Ni-Al phase diagram
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 288 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ менного напыления «Термоплазма 50» (ИТПМ СО РАН), оснащенную плазмотроном HV-APS. Сверхзвуковой режим напыления с использованием воздуха в качестве рабочего газа обеспечивает скорость напыляемых частиц на уровне 500 м/с и выше. Для напыления Ni-Al-порошка в сверхзвуковом режиме ранее нами были подобраны оптимальные режимы [25]. Для анализа структурного состояния покрытий использовали растровый электронный микроскоп (РЭМ) Carl Zeiss EVO50 XVP с микроанализатором EDS X-Act и просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) FEI Tecnai G2 20 TWIN. Образцами для РЭМ служили поперечные шлифы покрытий, для ПЭM – фольги, вырезанные из середины покрытий. Для исследования структурных превращений, происходящих при нагреве, HV-APS-покрытия Ni-Al выдерживали в печи в течение одного часа при температурах 300, 400, 500 и 600 °С и охлаждали на воздухе. Результаты и их обсуждение Ранее нами было показано, что для HV-APSпокрытий характерно наличие нескольких зон, отличающихся строением [25]. На рис. 2 представлены РЭМ-изображение и схема микроструктуры HV-APS-покрытия в исходном состоянии. Химический состав всех участков определяли при помощи микрорентгеноспектрального анализа. Согласно полученным данным, встречаются частицы, центральная часть которых представляет собой интерметаллид β-NiAl (участок 1 на рис. 2), окруженный однофазной оболочкой из фазы β-NiAl, обогащённой Ni (далее – фаза NiхAl1-х) (участок 2 на рис. 2). Участок 3 на рис. 2 имеет дендритное строение: химический состав дендритов совпадает с составом оболочки (2), а химический состав междендритного пространства соответствует фазе γ′-Ni3Al. Тонкая структура этих участков подробно рассматривалась нами в работе [25]. Отметим, что частицы с подобным строением встречаются нечасто: превалирующими являются частицы, охлаждение которых привело к формированию двухфазных участков, состоящих из зёрен NiхAl1-х и γ′-Ni3Al (участок 4 на рис. 2). ПЭМ-изображения участка 4 приведены на рис. 3. Видно, что зёрна NiхAl1-х испытывают сдвиговое превращение мартенситного типа, при котором высокотемпературная структура В2 переходит в низкотемпературную L10, тогда как зёрна γ′-Ni3Al никаких изменений не претерпевают. Кроме двухфазных областей встречаются также однофазные участки, состоящие только а б Рис. 2. РЭМ-изображение (а) и схема (б) HV-APS-покрытий: 1 – фаза β-NiAl; 2 – оболочка NiхAl1-х; 3 – участок с дендритным строением: дендриты (NiхAl1-х), междендритное пространство (фаза γ′-Ni3Al); 4 – участок с зёренным строением: зёрна фазы NiхAl1-х и фазы Ni3Al Fig. 2. Backscatter electron image (a) and scheme (b) of HV-APS coatings: 1 – β-NiAl phase; 2 – layer of NiхAl1-х; 3 – area with dendritic structure: NiхAl1-х dendrites, interdendritic region (γ′-Ni3Al phase); 4 – area with grain structure: both NiхAl1-х and Ni3Al grains
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 289 MATERIAL SCIENCE Рис. 3. ПЭМ-изображения HV-APS покрытий: а – двухфазная область NiхAl1-х + γ′-Ni3Al; б – однофазная область γ′-Ni3Al; в – двойники в γ′-Ni3Al; г – дефекты упаковки в γ′-Ni3Al и микродифракция Fig. 3. Bright fi eld TEM images of HV-APS coatings: а – two-phase area of NiхAl1-х + γ′-Ni3Al; б – one-phase area of γ′-Ni3Al; в – twins in γ′-Ni3Al; г – stacking faults in γ′-Ni3Al with diff raction pattern а б в г из зёрен фазы γ′-Ni3Al (рис. 3, б). Форма зёрен на участках 4 неравноосная, что характерно для материала, охлажденного в неравновесных условиях. Размеры зёрен обычно не превышают 500 нм, хотя иногда образуются зёрна γ′-Ni3Al большего размера, в которых наблюдаются двойники деформации (рис. 3, в) и дефекты упаковки (рис. 3, г). Мартенсит в HV-APS-покрытиях является пластинчатым (рис. 4), но в зависимости от размера зёрен, в которых происходит превращение, выглядит он по-разному. Например, мартенсит, образовавшийся в крупных зёрнах NiхAl1-х, состоит из пластин, находящихся по отношению друг к другу в двойникованной ориентации (рис. 4, а). Расстояние между микродвойниками колеблется в диапазоне от 0,5 нм (рис. 4, б) до нескольких нанометров (рис. 4, а). Границы раздела мартенсит-мартенсит могут быть расположены как внутри бывшего NiхAl1-х-зерна, так и за его пределами (рис. 4, в). В отличие от крупных зёрен (размерами более 500 нм) мелкие зёрна полностью трансформируются в одну пластину микродвойникования (рис. 4, г). Иногда попадаются мартенситные зёрна, в которых даже с применением темного поля не удается зафиксировать микродвойники в попарно параллельных пластинах, и эти пластины кажутся монокристаллами (рис. 5). Согласно данным локального химического анализа, соседние пластины имеют разный химический состав. Содержание Ni в пластинах с микродвойниками (пластины типа 1) составляет 77,4 ат. %, что соответствует фазе NiхAl1-х, а в пластинах без микродвойников (пластины типа 2) количество Ni 52,5 ат. %, что соответс твует β-фазе.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 290 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Пластины мартенсита могут вести себя поразному при столкновении друг с другом или с другими фазами. Так, при столкновении отдельных тонких пластин, растущих в разном направлении, их рост часто не останавливается: они проходят сквозь друг друга и перестраивается только область их пересечения (рис. 4, а). На рис. 6, а, б видно, что при столкновении мартенситной пластины с зерном γ′-Ni3Al она не проникает в него, а продолжает трансформироваться, хотя на рис. 6, в показаны мартенситные пластины, которые словно проросли внутрь зерна γ′-Ni3Al. Скорее всего, в этом случае первыми появились пластины NiхAl1-х, вокруг которых позже сформировалась фаза γ′-Ni3Al. Некоторые пластины меняют направление своего роста, отклоняясь при встрече с препятствием в сторону Рис. 5. ПЭМ-изображение мартенсита с пластинами разного строения: а – светлопольное изображение; б – темнопольное изображение Fig. 5. TEM image of martensite with diff erent types of plates: а – bright fi eld image; б – dark fi eld image Рис. 4. ПЭМ-изображения мартенсита: а, б, в – пластинчатый мартенсит в крупных зёрнах NiхAl1-х; г – пластинчатый мартенсит в мелких зёрнах NiхAl1-х Fig. 4. Bright fi eld TEM images of martensite: а, б, в – lamellar martensite in coarse grains of NiхAl1-х; г – lamellar martensite in fi ne grains of NiхAl1-х а б в г
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 291 MATERIAL SCIENCE Рис. 6. Взаимодействие кристаллов мартенсита с другими фазами: a, б – столкновение пластины мартенсита с зерном γ′-Ni3Al; в – прорастание пластин мартенсита в соседнее зерно; г – деформация мартенситной пластины; а, в, г – светлопольное изображение; б – темнопольное изображение Fig. 6. Interaction of martensite with other phases: a, б – collision of martensite plate with grain γ′-Ni3Al; в – growth of martensite plates into grain; г – martensite plate deformation; а, в, г – bright fi eld; б – dark fi eld а б в г (рис. 6, г). На участках вблизи изогнутых пластин происходит деформация и возникают упругие искажения, контраст от которых виден рядом с изгибом. Выше было показано, что температура мартенситного превращения в сплавах Ni-Al определяется химическим составом материала. Последующий нагрев исследуемого материала до температур 400…600 °С позволил проследить за структурными изменениями покрытий (более низкие температуры нагрева не показали какихлибо заметных изменения). На рис. 7 приведены ПЭМ-изображения микроструктуры HV-APSпокрытий после отпуска при 400 и 500 °С. Структурные исследования показали, что при нагреве до 400 °С наблюдается начало обратного перехода L10 мартенсита в структуру В2 с выделением вторичной фазы в виде удлинённых дисков по границам микродвойников (рис. 7, а). В отдельных случаях только часть мартенситной пластины претерпевает превращение, что объясняется различием химического состава в пределах одного кристалла. Повышение температуры до 500 °С приводит к дальнейшему распаду мартенситных пластин и росту уже выделившейся вторичной фазы (рис. 7, б). В зёрнах, где мартенсит превратился полностью, видно, что вторичная фаза ориентирована в одном направлении. Образование вторичной фазы характерно только для зёрен NiхAl1-х и отсутствует в зёрнах фазы γ′-Ni3Al (рис. 7, б) и пластинах β-NiAl (рис. 7, в). Внутреннее строение пластин β-NiAl характери-
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1