ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Плазменное напыление является одним из современных и эффективных методов нанесения покрытий различного назначения и состава. С помощью потоков термической плазмы можно напылять практически любые порошковые материалы (металлические, керамические, металлокерамические). Плазменное напыление многослойных защитных покрытий может быть успешно применено для повышения стойкости прошивных оправок, являющихся основным инструментом при производстве полых заготовок. Целью данной работы являлось изучение химического состава, структуры и микротвердости многослойных высокотемпературных покрытий двух разных составов, нанесенных методом плазменного напыления, предполагаемых к использованию для повышения долговечности прошивных оправок. Материалы и методы исследования. Нанесение многослойных покрытий двух составов осуществляли на установке плазменно-порошкового напыления с контактным возбуждением дугового разряда УПН-60КМ ТСП2017. Покрытия были получены последовательным наплавлением трех слоев разными порошковыми составами. После напыления всех трех слоев покрытия проводили окислительный отжиг при температуре 900 °С для создания плотного слоя окалины FeO + Fe₂O₃ + Fe₃O₄ на поверхности. Химический состав покрытий исследовали методом микрорентгеноспектрального анализа на сканирующем электронном микроскопе TESCAN с приставкой OXFORD. Микроструктуру покрытий исследовали на металлографическом микроскопе NEOPHOT. Фазовый рентгеноструктурный анализ выполняли на дифрактометре SHIMADZU в Kα-излучении хрома. Микротвердость измеряли на твердомере LEICA при нагрузке 50 г. Результаты и обсуждение. Установлен характер распределения химических элементов по толщине покрытия, состоящего из четырех слоев: внутреннего металлического слоя, обеспечивающего защиту от высокотемпературной коррозии; переходного металлического слоя, предназначенного для выравнивания теплофизических свойств между слоями; металлооксидного слоя α-Fe и оксидов железа и внешнего термобарьерного оксидного слоя FeO + Fe₂O₃ + Fe₃O₄. Покрытия характеризуются неоднородным распределением структурных составляющих и микротвердости по его толщине. Микротвердость внутреннего слоя достигает 1400 HV 0,05, переходного слоя – 800 HV 0,05, металлооксидного слоя – 300 HV 0,05.

1. Газотермическое напыление: учебное пособие / Л.Х. Балдаев, В.Н. Борисов, В.А. Вахалин, Г.И. Ганноченко, А.Е. Затока, Б.М. Захаров, А.В. Иванов, В.М. Иванов, В.И. Калита, В.В. Кудинов, А.Ф. Пузряков, Ю.П. Сборщиков, Б.Г. Хамицев, Э.Я. Школьников, В.М. Ярославцев; под общ. ред. Л.Х. Балдаева. – М.: Маркет ДС, 2007. – 344 с. – ISBN 978-5-7958-0146-92.

2. Development of ion-plasma refractory metallic layers of heat-insulating coatings for cooled turbine rotor blades / S.А. Budinovsky, S.A. Muboyadzhyan, A.M. Gayamov, P.V. Matveev // Metal Science and Heat Treatment. – 2014. – Vol. 55. – P. 652–657. – DOI: 10.1007/s11041-014-9684-2.

3. Tarasenko Yu.P., Tsareva N.N., Berdnik O.B. The structure and physical-mechanical properties of the heat-resistant Ni-Co-Cr-Al-Y intermetallic coating obtained using rebuilt plasma equipment // Thermophysics and Aeromechanics. – 2014 – Vol. 1, N 5. – P. 641–650. – DOI: 10.1134/S0869864314050138.

4. Influence of modifying nanoadditives on the properties of a multilayer composite coating obtained by laser surfacing / A.N. Cherepanov, A.M. Orishich, A.G. Malikov, V.O. Drozdov, V.E. Ovcharenko, A.P. Pshenichnikov // The Physics of Metals and Metallography. – 2019. – Vol. 120, iss. 1. – P. 101–106. – DOI: 10.1134/S0031918X190100225.

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. Гузанов Б.Н., Косицын С.В., Пугачева Н.Б. Упрочняющие защитные покрытия в машиностроении. – Екатеринбург: УрО РАН, 2004. – 244 с. – ISBN 5-7691-1405-3.

7. Shevchenko O.I., Trekin G.E., Farber V.M. Distribution of chemical elements in structural components of a facing of a self-fluxing nickel alloy // Metal Science and Heat Treatment. – 1997. – Vol. 39, iss. 6. – P. 233–235. – DOI: 10.1007/bf02467225.

8. Otsubo F., Era H., Kishitake K. Structure and phases in nickel-base self-fluxing alloy coating containing high chromium and boron // Journal of Thermal Spray Technology. – 2000. – Vol. 9, iss. 1. – P. 107–113. – DOI: 10.1361/105996300770350131.

9. Du H., Lee S.W., Shin J.H. Study on porosity of plasma-sprayed coatings by digital image analysis method // Journal of Thermal Spray Technology. – 2005. – Vol. 14, iss. 4. – P. 452–461. – DOI: 10.1361/105996305X76450.

10. Porosity and its significance in plasma-sprayed coatings / J.G. Odhiambo, W. Li, Y. Zhao, C. Li // Coatings. – 2019. – Vol. 9 (7). – P. 460–479. – DOI: 10.3390/coatings9070460.

11. Zhou C.G. Yu Q.H. Nanostructured thermal barrier coatings // Thermal Barrier Coatings. – Cambrige, UK: Woodhead Publishing, 2011. – P. 75–96.

12. 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.А. Безрукова, А.А. Жойдик // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2016. – № 4 (73). – С. 52–62. – DOI: 10.17212/1994-6309-2016-4-52-62.

13. Matthews S., Schweizer M. Optimization of arc-sprayed Ni-Cr-Ti coatings for high temperature corrosion applications // Journal of Thermal Spray Technology. – 2013. – Vol. 22, iss. 4. – P. 538–550. – DOI: 10.1007/s11666-013-9914-y.

14. Гузанов Б.Н., Пугачева Н.Б., Быкова Т.М. Эрозионная стойкость комбинированного многослойного покрытия для защиты ответственных деталей современных газово-турбинных двигателей // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. – 2021. – № 2. – С. 6–21. – DOI: 10.17804/2410-9908.2021.2.006-021.

15. Sivakumar R., Mordike B.L. High temperature coatings for gas turbine blades: a review // Surface and Coatings Technology. – 1989. – Vol. 37, iss. 2. – P. 139–160. – DOI: 10.1016/0257-8972(89)90099-6.

16. Пугачева Н.Б. Современные тенденции развития жаростойких покрытий на основе алюминидов железа, никеля и кобальта // Diagnostics, resource and mechanics of materials and structures. – 2015. – № 3. – С. 51–82. – DOI: 10.17804/2410-9908.2015.3.051-082.

17. Мубояджян С.А., Лесников В.П., Кузнецов В.П. Комплексные защитные покрытия турбинных лопаток авиационных ГТД. – Екатеринбург: Квист, 2008. – 208 с. – ISBN 5-900474-60-7.

18. Гузанов Б.Н., Обабков Н.В., Мигачева Г.Н. Разработка и исследование многослойных комбинированных покрытий высокотемпературного назначения // Sciences of Europe. – 2017. – № 16-1 (16). – Р. 83–88.

19. Microstructural design of hardfacing Ni-Cr-B-Si-C alloys / I. Hemmati, V. Ocelík, J.T.M. De Hosson, R.M. Huizenga // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61, iss. 16. – P. 6061–6070. – DOI: 10.1016/j.actamat.2013.06.048.

20. Formation of a Cr₃C₂/Ni-Cr alloy layer by an electron beam cladding method and evaluation of the layer properties / J. Morimoto, N. Abe, F. Kuriyama, M. Tomie // Vacuum. – 2001. – Vol. 62, iss. 2–3. – P. 203–210. – DOI: 10.1016/S0042-207X(00)00439-5.

21. Structure, phase composition, and wear mechanisms of plasma-sprayed Nicrsib–20 wt.% TiB₂ coating / A.P. Umanskii, A.E. Terentiev, A.M. Kovalchenko, M.S. Storozhenko, I.V. Hussainova, M.M. Antonov // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. – 2015. – Vol. 53, iss. 11–12. – P. 663–671. – DOI: 10.1007/s11106-015-9661-3.

22. Iida S., Hidaka Y. Influence of iron oxide of carbon steel on lubricating properties in seamless pipe hot rolling and the effectiveness of borax application // Tetsu-to-Hagane / Journal of the Iron and Steel Institute of Japan. – 2010. – Vol. 96, iss. 9. – Р. 550–556. – DOI: 10.2355/tetsutohagane.96.550.

23. Герасимов Ю.Л., Авдеев С.В., Бобарикин Ю.Л. Исследование влияния особенностей оксидированного покрытия прошивных оправок на их эксплуатационную стойкость // Черные металлы. – 2017. – № 7. – С. 46–49.

24. Вавилкин Н.М., Бухмиров В.В. Прошивная оправка. – М.: МИСиС, 2000. – 128 с. – ISBN 5-87623-052-9.

25. Oxidation behavior and mechanism of porous nickel-based alloy between 850 and 1000 °C / Y. Wang, Y. Liu, H. Tang, W. Li, C. Han // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2017. – Vol. 27, iss. 7. – P. 1558–1568. – DOI: 10.1016/S1003-6326(17)60177-8.

26. Темлянцев М.В., Осколкова Т.Н. Трещинообразование в процессах нагрева и охлаждения сталей и сплавов. – М.: Флинта: Наука, 2005. – 195 с. – ISBN 5-89349-913-1.

27. Сазоненко И.О., Земцов В.А., Юрчак А.Н. К вопросу повышения стойкости оправок прошивных станов // Литье и металлургия. – 2012. – № 4. – С. 135–138.

28. Толмачев В.С., Степанов А.И., Губин Ю.Г. Освоение прошивки гильз на стане конструкции ЭЗТМ // Сталь. – 2009. – № 7. – С. 56–58.