ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Актуальность исследования обусловлена необходимостью разработки технологий нанесения износостойких и коррозионно-стойких покрытий из алюминиевой бронзы на стальные поверхности для снижения массы и стоимости изделий при сохранении эксплуатационных характеристик в агрессивных средах, таких как морская вода. Традиционные методы нанесения (например, пайка или гальваника) не обеспечивают достаточную адгезию и не подходят для трибологических узлов, тогда как высокоэнергетические методы требуют точного контроля тепловложения и состава сплава для предотвращения образования дефектов и хрупких интерметаллидных фаз. Целью работы является исследование влияния тепловложения при электронно-лучевой наплавке на формирование покрытия из сплава БрАМц9-2 на нержавеющей стали. Методология. В работе использован метод электронно-лучевой наплавки одиночных капель на стальную подложку при трёх режимах с различным током электронного пучка – 30, 45 и 60 мА (тепловложение 135, 202 и 270 Дж/мм). Проведены металлографический анализ, рентгенофазовый анализ, энергодисперсионная спектроскопия и измерение микротвёрдости по Виккерсу в поперечном сечении наплавленных капель. Результаты и обсуждение. Установлено, что с увеличением тепловложения степень разбавления бронзы сталью возрастает от 2 до 59 %, глубина проплавления – от 0,06 до 2,43 мм, а микротвёрдость – от HV 156 до HV 343. При низком тепловложении наблюдается эпитаксиальный рост α-Cu и наличие фаз β′-Cu3Al и γ-Cu9Al4, свидетельствующих о быстром охлаждении. При высоком тепловложении происходит интенсивное перемешивание расплавов, диффузия элементов и формирование железосодержащих включений, что приводит к доминированию фаз α-Cu, α-Fe и γ-Fe и подавлению хрупкой γ-фазы. Полученные результаты показывают, что контролируемое разбавление в условиях электронно-лучевой наплавки может быть использовано для целенаправленного легирования и упрочнения бронзовых покрытий, это обеспечивает высокую адгезию и улучшенные механические свойства без образования дефектов, характерных для других методов наплавки.

1. Microstructure and mechanical properties of nickel-aluminum bronze coating on 17-4PH stainless steel by laser cladding / L. Zhao, B. Du, J. Yao, H. Chen, R. Ding, K. Li // Chinese Journal of Mechanical Engineering. – 2022. – Vol. 35. – P. 140. – DOI: 10.1186/s10033-022-00807-z.

2. Wetting and brazing of stainless steels by copper–silver eutectic / O. Kozlova, R. Voytovych, M.-F. Devismes, N. Eustathopoulos // Materials Science and Engineering: A. – 2008. – Vol. 495. – P. 96–101. – DOI: 10.1016/j.msea.2007.10.101.

3. Daehn K.E., Serrenho A.C., Allwood J. Preventing wetting between liquid copper and solid steel: A simple extraction technique // Metallurgical and Materials Transactions B. – 2019. – Vol. 50. – P. 1637–1651. – DOI: 10.1007/s11663-019-01578-0.

4. The laser deposited nickel-aluminum bronze coatings on sus630 stainless steel and its corrosion resistance in 3.5 Wt.% NaCl solution / L. Zhao, K. Li, J. Yao, Y. Yuan, B. Du // Metals (Basel). – 2022. – Vol. 12. – P. 781. – DOI: 10.3390/met12050781.

5. Bronze-on-steel deposition with blue light high-speed laser cladding and IR laser cladding, properties and differences / F. Rippa, D. Keller, H. Freisse, N. Martin, T. Schudeleit, M. Bambach // Procedia CIRP. – 2024. – Vol. 124. – P. 248–253. – DOI: 10.1016/j.procir.2024.08.110.

6. Microstructural evolution and mechanical behavior of nickel aluminum bronze Cu-9Al-4Fe-4Ni-1Mn fabricated through wire-arc additive manufacturing / C. Dharmendra, A. Hadadzadeh, B.S. Amirkhiz, G.D. Janaki Ram, M. Mohammadi // Additive Manufacturing. – 2019. – Vol. 30. – P. 100872. – DOI: 10.1016/j.addma.2019.100872.

7. Wire-arc additive manufacturing of nickel aluminum bronze/stainless steel hybrid parts – interfacial characterization, prospects, and problems / C. Dharmendra, S. Shakerin, G.D.J. Ram, M. Mohammadi // Materialia (Oxf). – 2020. – Vol. 13. – P. 100834. – DOI: 10.1016/j.mtla.2020.100834.

8. Dharmendra C., Shakerin S., Mohammadi M. Metallurgical assessment of additive manufactured nickel aluminum bronze-316L stainless steel bimetallic structure: Effect of deposit geometry on the interfacial characteristics and cracking // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2021. – Vol. 30. – P. 8746–8762. – DOI: 10.1007/s11665-021-06194-1.

9. Microstructure and corrosion resistance of an Al-bronze coating prepared by cold metal transfer on 27SiMn steel / L. Qi, L. Chai, Z. Li, T. Yang, J. Zhou, R. Cheng, K. Zhang // Surface and Coatings Technology. – 2024. – Vol. 478. – P. 130493. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2024.130493.

10. Interfacial behavior and properties of aluminum–bronze coatings on ductile iron by wire?arc deposition / W. Meng, Y. Lei, Q. Ma, X. Yin, L. Hu, H. Xie, L. Guo // Advanced Engineering Materials. – 2022. – Vol. 24. – DOI: 10.1002/adem.202200744.

11. Hussein A.A. Structure-property relationships in dual-phase Cu-Al alloys: Part I. Individual phases // Metallurgical Transactions A. – 1982. – Vol. 13. – P. 837–846. – DOI: 10.1007/BF02642397.

12. Effect of Fe and Ni contents on microstructure and wear resistance of aluminum bronze coatings on 316 stainless steel by laser cladding / X.P. Tao, S. Zhang, C.H. Zhang, C.L. Wu, J. Chen, A.O. Abdullah // Surface and Coatings Technology. – 2018. – Vol. 342. – P. 76–84. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.02.032.

13. The effects of substrate dilution on the microstructure and wear resistance of PTA Cu-Al-Fe aluminium bronze coatings / P. Kucita, S.C. Wang, W.S. Li, R.B. Cook, M.J. Starink // Wear. – 2019. – Vol. 440–441. – P. 203102. – DOI: 10.1016/j.wear.2019.203102.

14. Directed energy deposition of aluminium bronze onto H13 steel-microstructure in multi-material additive manufacturing / H.E.S. Linga, C. Hatzoglou, Y. Zhang, V. Brøtan, I. Westermann, X. Ren, B. Holmedal // Materials Characterization. – 2025. – Vol. 229. – P. 115603. – DOI: 10.1016/j.matchar.2025.115603.

15. Corrosion properties of CuAl9Mn2/ER 321 composites formed by dual-wire-feed electron beam additive manufacturing / V. Semin, A. Panfilov, V. Utyaganova, A. Vorontsov, A. Zykova // Metal Working and Material Science. – 2024. – Vol. 26. – P. 163–178. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-163-178.

16. Additive manufacturing nickel-aluminum bronze alloy via wire-fed electron beam directed energy deposition: Enhanced mechanical properties and corrosion resistance compared to as-cast counterpart / Y. Zhang, H. Yu, L. Wang, B. Wang, B. Su, L. Yao, C. Zhao, R. Cui, Y. Su // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 32. – P. 3871–3885. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.08.198.

17. Application of wire and electron beam additive manufacturing for large-sized industrial products / A.V. Chumaevskii, D.A. Gurianov, K.S. Osipovich, A.V. Filippov, S.V. Fortuna, N.N. Shamarin, V.M. Semenchuk, E.A. Sidorov, Yu.V. Kushnarev, A.A. Belosludtseva, V.E. Rubtsov, S.Yu. Tarasov, E.A. Kolubaev // Physical Mesomechanics. – 2026. – Vol. 29. – P. 153–181. – DOI: 10.1134/S102995992560123X.

18. Marangoni flow patterns of molten pools in multi-pass laser cladding with added nano-CeO₂ / L. Liu, G. Wang, K. Ren, Y. Di, L. Wang, Y. Rong, H. Wang // Additive Manufacturing. – 2022. – Vol. 59. – P. 103156. – DOI: 10.1016/j.addma.2022.103156.

19. Dual interfacial characterization and property in multi-material selective laser melting of 316L stainless steel and C52400 copper alloy / Y. Bai, J. Zhang, C. Zhao, C. Li, H. Wang // Materials Characterization. – 2020. – Vol. 167. – P. 110489. – DOI: 10.1016/j.matchar.2020.110489.

20. Fredriksson H., Hansson K., Olsson A. On the mechanism of liquid copper penetration into iron grain boundaries // Scandinavian Journal of Metallurgy. – 2001. – Vol. 30. – P. 41–50 – DOI: 10.1034/j.1600-0692.2001.300106.x.

21. Culpan E.A., Rose G. Microstructural characterization of cast nickel aluminium bronze // Journal of Materials Science. – 1978. – Vol. 13. – P. 1647–1657. – DOI: 10.1007/BF00548728.

22. Raute J., Biegler M., Rethmeier M. Process setup and boundaries of wire electron beam additive manufacturing of high-strength aluminum bronze // Metals (Basel). – 2023. – Vol. 13. – P. 1416. – DOI: 10.3390/met13081416.

23. Hyatt C.V., Magee K.H., Betancourt T. The effect of heat input on the microstructure and properties of nickel aluminum bronze laser clad with a consumable of composition Cu-9.0Al-4.6Ni-3.9Fe-1.2Mn // Metallurgical and Materials Transactions A. – 1998. – Vol. 29. – P. 1677–1690. – DOI: 10.1007/s11661-998-0090-5.