ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. В работе представлены результаты комплексного исследования коррозионных свойств инновационных покрытий на основе самофлюсующихся никель-хром-бор-кремниевых сплавов (ПР-НХ17СР4), модифицированных 10 % наночастиц карбида бора (B₄C) и полученных методом детонационного напыления. Актуальность исследования обусловлена острой необходимостью разработки новых высокоэффективных материалов для защиты критически важного оборудования, работающего в экстремальных условиях морской среды, химически агрессивных растворов и при повышенных температурах. Особое внимание уделено детальному анализу влияния B₄C на механизмы коррозионного разрушения, формирование защитных пассивирующих слоев и взаимосвязь между микроструктурой и функциональными свойствами покрытий. Цель работы: комплексная оценка влияния 10%-й добавки B₄C на коррозионную стойкость, микроструктуру и механические свойства покрытий в сравнении с базовым сплавом ПР-НХ17СР4 и коммерческим аналогом ВСНГН-85, широко применяемым в промышленности. Методы исследования. Покрытия наносили на подложки из стали 40Г методом детонационного напыления с использованием многокамерной кумулятивной установки МКДУ. Для всесторонней характеристики покрытий применяли современные аналитические методы: сканирующую электронную микроскопию (СЭМ Mira 3) с энергодисперсионным анализом и рентгенофазовый анализ (XRD, дифрактометр ARL X'TRA) с количественной оценкой фазового состава методом Ритвельда. Коррозионные испытания проводили в 3,5%-м растворе NaCl, имитирующем морскую среду, с использованием потенциостатических измерений и электрохимической импедансной спектроскопии на потенциостате-гальваностате SmartStat PS-10-4. Для оценки глубины коррозионного поражения применяли конфокальную лазерную микроскопию (Lext OLS5000) с разрешением 10 нм. Результаты и обсуждение. Установлено, что введение 10 % B₄C приводит к формированию уникальной многослойной структуры покрытия с содержанием аморфной фазы до 12,3 % и способствует образованию пассивирующих оксидов хрома (Cr₂O₃) и бора (B₂O₃). Электрохимические измерения показали рекордно низкую скорость коррозии – 0,0014 мм/год, что на порядок меньше, чем у базового сплава (0,021 мм/год), и в 30 раз ниже, чем у коммерческого аналога ВСНГН-85 (0,041 мм/год). Модифицированное покрытие демонстрирует исключительно высокое поляризационное сопротивление (215 ± 25 кОм·см²) и минимальную пористость (0,6 ± 0,1 %). Микротвердость составила 680 ± 40 HV, что существенно превышает характеристики базового сплава (520 ± 30 HV) и обусловлено образованием дисперсных частиц NiB₂. Методами XRD и ЭДС подтвержден каталитический эффект B₄C, способствующий более полному переходу кремния в силицид никеля (NiSi). Разработанные покрытия обладают уникальным сочетанием высокой коррозионной стойкости, износостойкости и адгезионной прочности. Полученные результаты позволяют рекомендовать данную технологию для создания защитных покрытий ответственных узлов оборудования в нефтегазовой отрасли, судостроении и энергетике. Перспективы дальнейших исследований связаны с оптимизацией состава порошков и параметров напыления для различных эксплуатационных условий, включая повышенные температуры и комбинированные нагрузки.

1. Simunovic K., Saric T., Simunovic G. Different approaches to the investigation and testing of the Ni-based self-fluxing alloy coatings – A review. Part 1: General facts, wear and corrosion investigations // Tribology Transactions. – 2014. – Vol. 57 (6). – P. 955–979.

2. Cost of corrosion in the United States // Handbook of environmental degradation of materials / G.H. Koch, M.P.H. Brongers, N.G. Thompson, Y.P. Virmani, J.H. Payer. – William Andrew Publishing, 2005. – P. 3–24. – DOI: 10.1016/B978-081551500-5.50003-3.

3. Thompson N.G., Yunovich M., Dunmire D. Cost of corrosion and corrosion maintenance strategies // Corrosion Reviews. – 2007. – Vol. 25 (3–4). – P. 247–262. – DOI: 0.1515/CORRREV.2007.25.3-4.247.

4. Baorong H.O.U., Dongzhu L.U. Corrosion cost and preventive strategies in China // Bulletin of Chinese Academy of Sciences (Chinese Version). – 2018. – Vol. 33 (6). – P. 601–609. – DOI: 10.16418/j.issn.1000-3045.2018.06.008.

5. Wear behavior of a borided nickel-based self-fluxing thermal spray coating / F.E. Mariani, G.C. Rêgo, A.L. Neto, G.E. Totten, L.C. Casteletti // Materials Performance and Characterization. – 2016. – Vol. 5 (4). – DOI: 10.1520/MPC20150064.

6. Microstructural analysis of flame-sprayed and PTA-deposited nickel-based self-fluxing alloy coatings / I. Vidakovic, K. Šimunovic, G. Heffer, V. Špada // Welding in the World. – 2024. – Vol. 68 (11). – P. 2819–2836. – DOI: 10.1007/s40194-024-01814-5.

7. Justification of strengthening of working bodies of forestry machines with self-fluxing alloys during gas-flame spraying / V.I. Kretinin, A.V. Teppoev, V.A. Sokolova, O.A. Polyanskaya, S.V. Alekseeva // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2021. – Vol. 876 (1). – P. 012045. – DOI: 10.1088/1755-1315/876/1/012045.

8. A novel strategy for depositing dense self-fluxing alloy coatings with sufficiently bonded splats by one-step atmospheric plasma spraying / X.Y. Dong, X.T. Luo, S.L. Zhang, C.J. Li // Journal of Thermal Spray Technology. – 2020. – Vol. 29. – P. 173–184. – DOI: 10.1007/s11666-019-00943-4.

9. Effect of flame remelting on the microstructure, wear and corrosion resistance of HVOF sprayed NiCrBSi coatings / C.W. Liu, E.W. Qin, G.X. Chen, S.C. Wei, Y. Zou, L. Ye, S.H. Wu // Advanced Materials Research. – 2024. – Vol. 1179. – P. 157–168. – DOI: 10.4028/p-v2xcOL.

10. Influences of flame remelting and WC-Co addition on microstructure, mechanical properties and corrosion behavior of NiCrBSi coatings manufactured via HVOF process / S. Shuecamlue, A. Taman, P. Khamnantha, C. Banjongprasert // Surfaces and Interfaces. – 2024. – Vol. 48. – P. 104135. – DOI: 10.1016/j.surfin.2024.104135.

11. Shabanlo M., Amini Najafabadi R., Meysami A. Evaluation and comparison the effect of heat treatment on mechanical properties of NiCrBSi thermally sprayed coatings // Anti-Corrosion Methods and Materials. – 2018. – Vol. 65 (1). – P. 34–37. – DOI: 10.1108/ACMM-02-2017-1756.

12. Temperature profile, microstructural evolution, and wear resistance of plasma-sprayed NiCrBSi coatings under different powers in a vertical remelting way / H.N. Xuan, L. Chen, N. Li, H. Wang, C. Zhao, M. Bobrov, S. Lu, L. Zhang // Materials Chemistry and Physics. – 2022. – Vol. 292. – P. 126773. – DOI: 10.1016/j.matchemphys.2022.126773.

13. Fayomi O.S.I., Akande I.G., Odigie S. Economic impact of corrosion in oil sectors and prevention: an overview // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – Vol. 1378 (2). – P. 022037. – DOI: 10.1088/1742-6596/1378/2/022037.

14. Kania H. Corrosion and anticorrosion of alloys/metals: the important global issue // Coatings. – 2023. – Vol. 13 (2). – P. 216. – DOI: 10.3390/coatings13020216.

15. Shekari E., Khan F., Ahmed S. Economic risk analysis of pitting corrosion in process facilities // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2017. – Vol. 157. – P. 51–62. – DOI: 10.1016/j.ijpvp.2017.08.005.

16. High-velocity collision of hot particles with solid substrate, under detonation spraying: detonation splats / S.B. Zlobin, V.Yu. Ulianitsky, A.A. Shtertser, I. Smurov // Thermal Spray: Expanding Thermal Spray Performance to New Markets and Applications. – ASM, 2009. – P. 714–717. – DOI: 10.31399/asm.cp.itsc2009p0714.

17. Tucker R.C. Jr. Structure property relationships in deposits produced by plasma spray and detonation gun techniques // Journal of Vacuum Science and Technology. – 1974. – Vol. 11 (4). – P. 725–734. – DOI: 10.1116/1.1312743.

18. Sundararajan G., Sen D., Sivakumar G. The tribological behaviour of detonation sprayed coatings: the importance of coating process parameters // Wear. – 2005. – Vol. 258 (1–4). – P. 377–391. – DOI: 10.1016/j.wear.2004.03.022.

19. Detonation application of a hard composite coating to cutters for centrifugal beet shredders / V.V. Sirota, S.V. Zaitsev, D.S. Prokhorenkov, M.V. Limarenko, A.A. Skiba, A.S. Churikov, A.L. Dan’shin // Russian Engineering Research. – 2023. – Vol. 43 (9). – P. 1142–1145. – DOI: 10.3103/s1068798x23090216.

20. The effect of the introduction of B4C on the adhesive and cohesive properties of self-fluxing coatings / V.V. Sirota, S.V. Zaitsev, M.V. Limarenko, A.S. Churikov, D. S. Podgornyi // Construction Materials and Products. – 2024. – Vol. 7 (6). – DOI: 10.58224/2618-7183-2024-7-6-5.

21. impedance.py: A Python package for electrochemical impedance analysis / M.D. Murbach, B. Gerwe, N. Dawson-Elli, L. Tsui // Journal of Open Source Software. – 2020. – Vol. 5 (52). – P. 2349. – DOI: 10.21105/joss.02349.