ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Гранулометрия исходных порошков оказывает значительное влияние на твердость и прочность компактных металлокерамических материалов из карбида вольфрама (WC), однако это не исследовано при приготовлении покрытий WC/Fe-Ni-Al. Цель работы. Исследовать влияние гранулометрии исходного порошка WC, вводимого в нелокализованный электрод, на кинетику массопереноса, химический состав, структуру поперечных сечений покрытий WC/Fe-Ni-Al, их коррозионные и трибологические свойства. Методы. Осаждение покрытий WC/Fe-Ni-Al на сталь 45 проводилось методом электроискрового легирования с применением нелокализованного электрода, который состоял из железных гранул (Ø = 4 мм), порошков Ni и Al, а также порошков карбида вольфрама с различным размером зерен. По данным рентгенофазового анализа в составе приготовленных покрытий обнаруживаются карбид вольфрама, субкарбид вольфрама (W₂C), интерметаллид Al₈₆Fe₁₄, ферроникель (FeNi) и ОЦК-фазы AlNi, AlFe. Результаты и обсуждение. Определено, что при повышении размера фракции порошка WC в электроде состав матрицы покрытий обогащался алюминием, тогда как концентрация железа снижалась с 60 до 30 ат. %. Показано, что наиболее низкие значения твердости, износостойкости и жаростойкости наблюдались для образца, полученного с использованием нанопорошка карбида вольфрама. Установлено, что микротвердость осажденных слоев находилась в диапазоне от 4,39 до 9,16 ГПа. Определено, что жаростойкость образцов с покрытиями при температуре 700 °С монотонно возрастала с ростом размера фракции порошка карбида вольфрама. В работе установлено, что применение порошка карбида вольфрама с размером фракций от 20 до 40 мкм обеспечивает наилучшие показатели твердости, износостойкости и жаростойкости покрытий WC/Fe-Ni-Al при температуре 700 °С. Показано, что такие покрытия позволяют повысить жаростойкость стали 45 в 11,6 раза, а износостойкость в 44–80 раз, что открывает перспективы их применения в высокоинтенсивных приложениях.

1. High-temperature corrosion characterization of Ni-Al laser cladding: The effect of Al content and Fe / X. Wang, Z. Liu, K. Cheng, J. Li, H. Ning, J. Mao // Journal of Thermal Spray Technology. – 2024. – Vol. 33 (5). – P. 1417–1439. – DOI: 10.1007/s11666-024-01782-8.

2. Study on the microstructure and properties of a laser cladding Fe–Ni–Al coating based on the invar effect / Z. Wang, J. Zhang, F. Zhang, C. Qi // Scientific Reports. – 2024. – Vol. 14 (1). – P. 11685. – DOI: 10.1038/s41598-024-62306-6.

3. Microstructure, mechanical properties and wear of Ni–Al–Fe alloys / P.R. Munroe, M. George, I. Baker, F.E. Kennedy // Materials Science and Engineering: A. – 2002. – Vol. 325 (1–2). – P. 1–8. – DOI: 10.1016/S0921-5093(01)01403-4.

4. Structure and oxidation resistance of flame sprayed Fe–Ni–Al coating / A.S.I. Datu-Maki, Ciswandi, B. Hermanto, S.A. Saptari, T. Sudiro // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – Vol. 1204 (1). – P. 012128. – DOI: 10.1088/1742-6596/1204/1/012128.

5. Optimization and experimental investigation on AA6082/WC metal matrix composites by abrasive flow machining process / R. Manikandan, P. Ponnusamy, S. Nanthakumar, A. Gowrishankar, V. Balambica, R. Girimurugan, S. Mayakannan // Materials Today: Proceedings. – 2023. – DOI: 10.1016/j.matpr.2023.03.274.

6. Microstructure and tribology of cold spray additively manufactured multimodal Ni-WC metal matrix composites / S.A. Alidokht, L. Wu, S. Bessette, R.R. Chromik // Wear. – 2024. – Vol. 538. – P. 205218. – DOI: 10.1016/j.wear.2023.205218.

7. Effect of WC mass fraction on the microstructure and frictional wear properties of WC/Fe matrix composites / Z. Liao, X. Huang, F. Zhang, Z. Li, S. Chen, Q. Shan // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2023. – Vol. 114. – P. 106265. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2023.106265.

8. Microstructures and high-temperature wear behavior of NiAl/WC-Fex coatings on carbon steel by plasma cladding / J. Yuan, Q. Wang, X. Liu, S. Lou, Q. Li, Z. Wang // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – Vol. 842. – P. 155850. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.155850.

9. Abreu-Castillo H.O., d’Oliveira A.S.C.M. Challenges of nanoparticle-reinforced NiAl-based coatings processed by in situ synthesis of the aluminide // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2024. – Vol. 134 (3–4). – P. 1547–1561. – DOI: 10.1007/s00170-024-14162-x.

10. Бурков А.А. Использование гранул Ni и Al и порошка WC для электроискрового нанесения металлокерамических покрытий // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2025. – Т. 19, № 2. – С. 62–72. – На англ. яз. – DOI: 10.17073/1997-308X-2025-2-62-72. – EDN NPZJWX.

11. Advancements in electrospark deposition (ESD) technique: A short review / C. Barile, C. Casavola, G. Pappalettera, G. Renna // Coatings. – 2022. – Vol. 12 (10). – P. 1536. – DOI: 10.3390/coatings12101536.

12. Николенко С.В., Верхотуров А.Д. Новые электродные материалы для электроискрового легирования. – Владивосток: Дальнаука, 2005. – 219 с. – ISBN 5-80444-0404-0.

13. Burkov A.A., Kulik M.A. Wear-resistant and anticorrosive coatings based on chrome carbide Cr₇C₃ obtained by electric spark deposition // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. – 2020. – Vol. 56. – P. 1217–1221. – DOI: 10.1134/s2070205120060064.

14. Dvornik M., Mikhailenko E. The influence of the rotation frequency of a planetary ball mill on the limiting value of the specific surface area of the WC and Co nanopowders // Advanced Powder Technology. – 2020. – Vol. 31 (9). – P. 3937–3946. – DOI: 10.1016/j.apt.2020.07.033.

15. Dvornik M.I., Zaytsev A.V. Research of surfaces and interfaces increasing during planetary ball milling of nanostructured tungsten carbide/cobalt powder // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2013. – Vol. 36. – P. 271–277. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2012.10.004.

16. Бурков А.А. Получение аморфных покрытий электроискровой обработкой стали 35 в смеси железных гранул с CrMoWCBSi порошком // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 4. – С. 19–30. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.4-19-30.

17. Effect of spray powder particle size on the bionic hydrophobic structures and corrosion performance of Fe-based amorphous metallic coatings / Y.C. Li, W.W. Zhang, Y. Wang, X.Y. Zhang, L.L. Sun // Surface and Coatings Technology. – 2022. – Vol. 437. – Р. 128377. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128377.

18. Almond E.A., Gee M.G. Results from a UK interlaboratory project on dry sliding wear // Wear. – 1987. – Vol. 120 (1). – P. 101–116. – DOI: 10.1016/0043-1648(87)90136-0.

19. Kennedy F.E., Lu Y., Baker I. Contact temperatures and their influence on wear during pin-on-disk tribotesting // Tribology International. – 2015. – Vol. 82. – P. 534–542. – DOI: 10.1016/j.triboint.2013.10.022.

20. Characterization of wear rate of Al-12 wt% Si alloy based MMC reinforced with ZrO₂ particulates / M. Nataraja, G. Balakumar, N. Santhosh, M.R. Naik // Materials Research Express. – 2024. – Vol. 11 (3). – P. 036522. – DOI: 10.1088/2053-1591/ad3468.

21. Chivavibul P., Watanabe M., Kuroda S. Effect of microstructure of HVOF-sprayed WC-Co coatings on their mechanical properties // Thermal Spray. – 2007. – P. 1212. – DOI: 10.31399/asm.cp.itsc2007p0297.

22. The influence of microstructure on tribological properties of WO3 thin films / O.D. Greenwood, S.C. Moulzolf, P.J. Blau, R.J. Lad // Wear. – 1999. – Vol. 232 (1). – P. 84–90. – DOI: 10.1016/S0043-1648(99)00255-0.

23. Jayashree P., Turani S., Straffelini G. Effect of velocity and temperature on the dry sliding behavior of a SiC-Graphite composite against WC-CoCr and WC-FeCrAlY HVOF coatings // Wear. – 2021. – Vol. 464. – P. 203553. – DOI: 10.1016/j.wear.2020.203553.

24. Ameen H.A., Hassan K.S., Mubarak E.M.M. Effect of loads, sliding speeds and times on the wear rate for different materials // American Journal of Scientific and Industrial Research. – 2011. – Vol. 2 (1). – P. 99–106. – DOI: 10.5251/ajsir.2011.2.1.99.106.