Обработка металлов

Влияние термического воздействия на микромеханические свойства хромоникелевого покрытия, полученного газопорошковой лазерной наплавкой

Том 22, № 2 Апрель - Июнь 2020

Авторы:

Соболева Наталья Николаевна,

Макаров Алексей Викторович,

Степченков Александр Константинович,

Малыгина Ирина Юрьевна,

Коробов Юрий Станиславович

DOI: http://dx.doi.org/10.17212/1994-6309-2020-22.2-104-117

Скачать полный текст

Интерактивный просмотр

Аннотация
Авторы
Список литературы
Благодарности. Финансирование

Аннотация

Введение. Хромоникелевые покрытия могут использоваться в деталях, эксплуатируемых при высоких температурах (штампы горячего деформирования, валки прокатных станов, рольганги, детали турбин, теплообменников и т.д.). Перспективным методом нанесения покрытий является газопорошковая лазерная наплавка, формирующая покрытия с повышенной твердостью и однородностью. Современным методом оценки механических свойств хромоникелевых покрытий является инструментальное микроиндентирование, осуществляющее запись диаграмм в процессе нагружения и разгружения индентора. Цель работы – исследовать влияние термического воздействия в интервале температур 800…1050 °С на микромеханические свойства NiCrBSi покрытия ПГ-10Н-01, полученного газопорошковой лазерной наплавкой. Методы исследования. Инструментированное микроиндентирование и сканирующая электронная микроскопия с использованием энергодисперсионного микроанализа. Результаты и обсуждение. Термическое воздействие при температуре 800 °С лишь незначительно снижает прочностные характеристики покрытия, а растворение упрочняющих фаз в структуре покрытия при нагреве до 900 °С приводит к существенному уменьшению характеристик твердости и параметров, характеризующих сопротивление упругопластическому деформированию. Формирование при нагреве до 1050 °С (выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе) «каркасоподобной» структуры с основой из крупных карбоборидов Cr₂(B,C) и боридов Cr₂B с большими модулями упругости приводит к сильному повышению среднего контактного модуля упругости до ~ 280 ГПа (при среднем уровне модуля упругости ~ 200 ГПа у покрытия после наплавки, а также дополнительного нагрева до 800 и 900 °С), росту до наибольших значений прочностных характеристик микроиндентирования (твердости по Мартенсу и твердости вдавливания при максимальной нагрузке) и расчетных параметров, свидетельствующих о повышенной способности покрытия с «каркасоподобной» структурой деформироваться в «благоприятной» упругой области, а также противостоять механическим контактным нагрузкам и после начала пластического течения.

Ключевые слова: лазерная наплавка, хромоникелевое покрытие, термическое воздействие, инструментальное микроиндентирование, сканирующая электронная микроскопия

Авторы:

Соболева Наталья Николаевна
канд. техн. наук, Институт машиноведения УрО РАН, ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620049, Россия, natashasoboleva@list.ru

Макаров Алексей Викторович
доктор техн. наук, 1. Институт машиноведения УрО РАН, ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620049, Россия; 2. Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН, ул. Софьи Ковалевской, 18, г. Екатеринбург, 620108, Россия; 3. Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, ул. Мира, 19, г. Екатеринбург, 620002, Россия, avm@imp.uran.ru

Степченков Александр Константинович
1. Институт машиноведения УрО РАН, ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620049, Россия; 2. Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН, ул. Софьи Ковалевской, 18, г. Екатеринбург, 620108, Россия, alexander.stepchenkov@gmail.com

Малыгина Ирина Юрьевна
канд. техн. наук, Институт машиноведения УрО РАН, ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620049, Россия, malygina@imach.uran.ru

Коробов Юрий Станиславович
доктор техн. наук, 1. Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН, ул. Софьи Ковалевской, 18, г. Екатеринбург, 620108, Россия; 2. Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, ул. Мира, 19, г. Екатеринбург, 620002, Россия, yukorobov@gmail.com

Список литературы

1. Оковитый В.А., Пантелеенко Ф.И. Оптимизация процесса напыления износостойких покрытий на основе многофункциональной оксидной керамики // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2015. – № 2. – С. 46–54. – DOI: 10.17212/1994-6309-2015-2-39-45.

2. Получение упрочняющих покрытий из аморфизируемых сплавов Fe–Cr–Si–B–C лазерно-плазменными методами / М.Н. Хомяков, П.А. Пинаев, П.А. Стаценко, И.Б. Мирошниченко, Г.Н. Грачев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – № 4. – С. 21–34. – DOI: 10.17212/1994-6309-2018-20.4-21-34.

3. Выбор параметров термической обработки наплавленных высокохромистых покрытий, легированных комплексом боридных соединений / Е.Н. Еремин, А.С. Лосев, С.А. Бородихин, И.А. Пономарев, А.Е. Маталасова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – № 4. – С. 72–82. – DOI: 10.17212/1994-6309-2018-20.4-72-82.

4. Влияние температуры оплавления на структуру и свойства самофлюсующихся покрытий на основе никеля / Е.Е. Корниенко, А.А. Никулина, А.Г. Баннов, В.И. Кузьмин, М. Мильдебрах, В.A. Безрукова, А.А. Жойдик // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2016. – № 4. – С. 52–62. – DOI: 10.17212/1994-6309-2016-4-52-62.

5. Automatic remelting and enhanced mechanical performance of a plasma sprayed NiCrBSi coating / L. Chen, H. Wang, C. Zhao, S. Lu, Z. Wang, J. Sha, S. Chen, L. Zhang // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 369. – P. 31–43. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.04.052.

6. Microstructure, wear and corrosion behaviors of plasma sprayed NiCrBSi–Zr coating / J. Xiao, Y. Wu, W. Zhang, J. Chen, X. Wei, C. Zhang // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 360. – P. 172–180. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.12.114.

7. Morphology and characterization of laser clad composite NiCrBSi–WC coatings on stainless steel / M.J. Tobar, C. Álvares, J.M. Amado, G. Rodríguez, A. Yáñez // Surface and Coatings Technology. – 2006. – Vol. 200, iss. 22–23. – P. 6313–6317. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2005.11.093.

8. Study on the laser cladding of FeCrNi coating / W. Gao, C. Chang, G. Li, Y. Xue, J. Wang, Z. Zhang, X. Lin // Optik. – 2019. – Vol. 178. – P. 950–957. – DOI: 10.1016/j.ijleo.2018.10.062.

9. D’Oliveira A.S.C.M., Vilar R., Feder C.G. High temperature behavior of plasma transferred arc and laser Co–based alloy coatings // Applied Surface Science. – 2002. – Vol. 201, iss. 1–4. – P. 154–160. – DOI: 10.1016/S0169-4332(02)00621-9.

10. Tamanna N., Crouch R., Naher S. Progress in numerical simulation of the laser cladding process // Optics and Lasers in Engineering. – 2019. – Vol. 122. – P. 151–163. – DOI: 10.1016/j.optlaseng.2019.05.026.

11. Microstructure and wear behaviors of WC–Ni coatings fabricated by laser cladding under high frequency micro–vibration / C. Li, Q. Zhang, F. Wang, P. Deng, Q. Lu, Y. Zhang, S. Li, P. Ma, W. Li, Y. Wang // Applied Surface Science. – 2019. – Vol. 485. – P. 513–519. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.04.245.

12. Abrasive wear behavior of laser clad and flame sprayed-melted NiCrBSi coatings / С. Navas, R. Colaço, J. de Damborenea, R. Vilar // Surface and Coatings Technology. – 2006. – Vol. 200, iss. 24. – P. 6854–6862. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2005.10.032.

13. Wear behaviour of flame sprayed NiCrBSi coating remelted by flame or by laser / R. González, M. Cadenas, R. Fernández, J.L. Cortizo, E. Rodríguez // Wear. – 2007. – Vol. 262, iss. 3–4. – P. 301–307. – DOI: 10.1016/j.wear.2006.05.009.

14. High temperature wear resistance of laser cladding NiCrBSi and NiCrBSi/WC–Ni composite coatings / Ch. Guo, J. Zhou, J. Chen, J. Zhao, Y. Yu, H. Zhou // Wear. – 2011. – Vol. 270, iss. 7–8. – P. 492–498. – DOI: 10.1016/j.wear.2011.01.003.

15. Influence of the deposition techniques on the mechanical properties and microstructure of NiCrBSi coatings / T. Gómez-del Río, M.A. Garrido, J.E. Fernández, M. Cadenas, J. Rodríguez // Journal of Materials Processing Technology. – 2008. – Vol. 204, iss. 1–3. – P. 304–312. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.11.042.

16. Serres N., Portha N., Machi F. Influence of salt fog aging tests on mechanical resistance of laser clad-coatings // Surface and Coatings Technology. – 2011. – Vol. 205, iss. 23–24. – P. 5330–5337. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2011.05.042.

17. A study on microstructure and flame erosion mechanism of a graded Ni–Cr–B–Si coating prepared by laser cladding / H.-F. Xuan, Q.-Y. Wang, S.-L. Bai, Z.-D. Liu, H.-G. Sun, P.-Ch. Yan // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 244. – P. 203–209. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.02.021.

18. Оценка влияния наполнителей на механические свойства эпоксидного клеевого покрытия, определенные методом инструментального микроиндентирования / С.В. Смирнов, И.А. Веретенникова, Е.О. Смирнова, А.В. Пестов // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. – 2017. – № 6. – С. 103–111. – DOI: 10.17804/2410-9908.2017.6.103-111.

19. Повышение микромеханических свойств и износостойкости хромоникелевого лазерного покрытия финишной фрикционной обработкой / А.В. Макаров, Н.Н. Соболева, Р.А. Саврай, И.Ю. Малыгина // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. – 2015. – № 4. – С. 60–67. – DOI: 10.18323/2073-5073-2015-4-60-67.

20. ISO 14577–1:2015. Metallic materials instrumented indentation test for hardness and materials parameters – Part 1: Test method. – Publication date: 2015-07. – [S. l.], 2015. – 46 p.

21. ГОСТ Р 8.748–2011. Государственная система обеспечения единства измерений. Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Ч. 1. Метод испытаний. – М.: Стандартинформ, 2013. – 28 с.

22. Oliver W.C., Pharr J.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // Journal of Materials Research. – 1992. – Vol. 7, iss. 6. – P. 1564–1583. – DOI: 10.1557/JMR.1992.1564.

23. Golovin Yu.I. Nanoindentation and mechanical properties of solids in submicrovolumes, thin near-surface layers, and films: a review // Physics of the Solid State. – 2008. – Vol. 50, N 12. – P. 2205–2236. – DOI: 10.1134/S1063783408120019.

24. Formation of wear-resistant chromium-nickel coating with extra high thermal stability by combined laser-and-heat treatment / A.V. Makarov, N.N. Soboleva, I.Yu. Malygina, A.L. Osintseva // Metal Science and Heat Treatment. – 2015. – Vol. 57, iss. 3–4. – P. 161–168. – DOI: 10.1007/s11041-015-9856-8.

25. Патент 2492980 Российская Федерация. Способ получения теплостойкого покрытия / А.В. Макаров, Н.Н. Соболева, И.Ю. Малыгина, А.Л. Осинцева. – № 2012114841/02; заявл. 13.04.2012; опубл. 20.09.2013, Бюл. № 26. – 6 с.

26. Wear-resistant nickel-based laser clad coatings for high-temperature applications / A.V. Makarov, Yu.S. Korobov, N.N. Soboleva, Yu.V. Khudorozhkova, A.A. Vopneruk, P. Balu, L. Kotte, I.Yu. Malygina, S.V. Burov, A.K. Stepchenkov // Letters on Materials. – 2019. – Vol. 9, N 4. – P. 470–474. – DOI: 10.22226/2410-3535-2019-4-470-474.

27. Improving the properties of a rapidly crystallized NiCrBSi laser clad coating by high-temperature processing / A.V. Makarov, N.N. Soboleva, I.Yu. Malygina, E.V. Kharanzhevskiy // Journal of Crystal Growth. – 2019. – Vol. 525. – P. 125200-1–125200-5. – DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2019.125200.

28. Самсонов Г.В., Серебрякова Т.И., Неронов В.А. Бориды. – M.: Атомиздат, 1975. – 376 с.

29. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов. – 3–е изд., перераб. и доп. – М.: МИСИС, 1998. – 398 с. – ISBN 5-87623-017-0.

30. Change of Young's modulus of cold-deformed pure iron in a tensile test / J.A. Benito, J. Jorba, J.M. Manero, A. Roca // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2005. – Vol. 36, iss. 12. – P. 3317–3324. – DOI: 10.1007/s11661-005-0006-6.

31. Юркова А.И., Мильман Ю.В., Бякова А.В. Структура и механические свойства железа после поверхностной интенсивной пластической деформации трением. II. Механические свойства нано- и субмикрокристаллического железа // Деформация и разрушение материалов. – 2009. – № 2. – С. 2–8.

32. Structural features of the behavior of a high-carbon pearlitic steel upon cyclic loading / A.V. Makarov, R.A. Savrai, V.M. Schastlivtsev, T.I. Tabatchikova, I.L. Yakovleva, L.Yu. Egorova // Physics of Metals and Metallography. – 2011. – Vol. 111, iss. 1. – P. 95–109. – DOI: 10.1134/S0031918X11010091.

33. Повышение прочности коррозионностойкой аустенитной стали AISI 321 фрикционной обработкой / Р.А Саврай, А.В. Макаров, И.Ю. Малыгина, С.А. Роговая, А.Л. Осинцева // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. – 2017. – № 5. – С. 43–62. – DOI: 10.17804/2410-9908.2017.5.043-062.

34. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений: справочник / под ред. Т.Я. Косолаповой. – М.: Металлургия, 1986. – 928 с.

35. Structure and thermophysical properties of aluminum-matrix composites / N.B. Pugacheva, N.S. Michurov, E.I. Senaeva, T.M. Bykova // The Physics of Metals and Metallography. – 2016. – Vol. 117. – P. 1144–1151. – DOI: 10.1134/S0031918X16110119.

36. Page T.F., Hainsworth S.V. Using nanoindentation techniques for the characterization of coated systems: A critique // Surface and Coatings Technology. – 1993. – Vol. 61, iss. 1–3. – P. 201–208. – DOI: 10.1016/0257-8972(93)90226-E.

37. Износостойкость и механические свойства сплавов медицинского назначения / М.И. Петржик, М.Р. Филонов, К.А. Печеркин, Е.А. Левашов, В.Н. Олесова, А.И. Поздеев // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2005. – № 6. – C. 62–69.

38. Petrzhik M.I., Levashov E.A. Modern methods for investigating functional surfaces of advanced materials by mechanical contact testing // Crystallography Reports. – 2007. – Vol. 52, N 6. – P. 966–974. – DOI: 10.1134/S1063774507060065.

39. Фирстов С.А., Горбань В.Ф., Печковский Э.П. Новые методологические возможности определения механических свойств современных материалов методом автоматического индентирования // Наука та інновації. – 2010. – Т. 6, № 5. – С. 7–18.

40. Cheng Y.T., Cheng C.M. Relationships between hardness, elastic modulus and the work of indentation // Applied Physics Letters. – 1998. – Vol. 73, N 5. – P. 614–618. – DOI: 10.1063/1.121873.

41. Mayrhofer P.H., Mitterer C., Musil J. Structure–property relationships in single- and dual-phase nanocrystalline hard coatings // Surface and Coatings Technology. – 2003. – Vol. 174–175. – P. 725–731. – DOI: 10.1016/S0257-8972(03)00576-0.

Для цитирования:

Влияние термического воздействия на микромеханические свойства хромоникелевого покрытия, полученного газопорошковой лазерной наплавкой / Н.Н. Соболева, А.В. Макаров, А.К. Степченков, И.Ю. Малыгина, Ю.С. Коробов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 2. – С. 104–117. – DOI: 10.17212/1994-6309-2020-22.2-104-117.

For citation:

Soboleva N.N., Makarov A.V., Stepchenkov A.K., Malygina I.Yu., Korobov Yu.S. Influence of thermal effects on the micromechanical properties of the nickel-chromium coating obtained by gas powder laser cladding. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2020, vol. 22, no. 2, pp. 104–117. DOI: 10.17212/1994-6309-2020-22.2-104-117. (In Russian).

Просмотров: 1336

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Влияние термического воздействия на микромеханические свойства хромоникелевого покрытия, полученного газопорошковой лазерной наплавкой