Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет35667810.17212/1994-6309-2025-27.4-325-338MATERIAL SCIENCEМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕResearch ArticleStructure and properties of coatings based on refractory elements obtained by the method of non-vacuum electron beam surfacingСтруктура и свойства покрытий на основе тугоплавких элементов, полученных методом вневакуумной электронно-лучевой наплавкиhttps://orcid.org/0000-0001-7608-734X25627090600G-9820-20197234-8480BushuevaEvdokia G.БушуеваЕвдокия Геннадьевна
Russian Federation

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

канд. техн. наук, доцент

bushueva@corp.nstu.ruhttps://ciu.nstu.ru/kaf/persons/20088/https://orcid.org/0009-0002-1082-20868192-5075NastavshevArtem E.НаставшевАртём Евгеньевич
Russian Federation

Student

студент

artem.nastavshev@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0210-840556071091100HLW-5596-20237355-7796SkorokhodKsenia A.СкороходКсения Андреевна
Russian Federation

Junior researcher

м.н.с.

k.skorokhod@itam.nsc.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2422-151355325348200E-3638-20156160-8912DomarovEvgeniy V.ДомаровЕвгений Вадимович
Russian Federation

Scientific associate

н.с.

domarov88@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8294-723814827250100F-7394-20173626-3270MishinIvan P.МишинИван Петрович
Russian Federation

Ph.D. (Physics and Mathematics), Scientific associate

канд. физ.-мат. наук, н.с.

mip@ispms.ruNovosibirsk State Technical UniversityНовосибирский государственный технический университетKhristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RASИнститут теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАНBudker Institute of Nuclear Physics of Siberian Branch Russian Academy of SciencesИнститут ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАНInstitute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RASИнститут физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук274VOL 27, NO4 (2025)ТОМ 27, №4 (2025)32533807122025Copyright ©; 2025, Bushueva E.G., Nastavshev A.E., Skorokhod K.A., Domarov E.V., Mishin I.P.Copyright ©; 2025, Бушуева Е.Г., Наставшев А.Е., Скороход К.А., Домаров Е.В., Мишин И.П.2025Bushueva E.G., Nastavshev A.E., Skorokhod K.A., Domarov E.V., Mishin I.P.Бушуева Е.Г., Наставшев А.Е., Скороход К.А., Домаров Е.В., Мишин И.П.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/356678

Introduction. The development of modern industry requires materials capable of withstanding high temperatures and loads while maintaining functionality and performance. Traditional materials, such as 0.4 C-Cr structural steel, are widely used in mechanical engineering and are inexpensive. However, ordinary and low-alloy steels are subject to intense oxidation when exposed to temperatures above 400°C. To improve the performance of structural steels under high-temperature conditions, the development of effective methods for modifying their surfaces is an an urgent task. The purpose of this work is to develop a technology for creating high-temperature oxidation resistant surface layers on 0.4 C-Cr structural steel. For this purpose, the non-vacuum electron beam surfacing method was used, employing powder materials based on refractory elements: niobium, molybdenum, and boron. Materials and methods. In this study, modified layers were formed on 0.4 C-Cr steel using non-vacuum electron beam surfacing of Nb-Mo-B powder composites. The following research methods were used: optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction analysis, microhardness testing, high-temperature oxidation testing, and oxidation reaction kinetics determination. Results and discussion. The modified layers, which were 2.0–2.3 mm thick, exhibited a gradient structure consisting of molybdenum-doped niobium carbide present as dendrites and irregularly shaped crystals, as well as eutectic colonies based on the same carbide and α-Fe and α-(Mo,Fe) solid solutions. X-ray phase analysis identified the following phases in the modified layers: (Nb,Mo)C carbide and α-Fe and α-(Mo,Fe)-based solid solutions. The surfacing with Nb, Mo, and B resulted in the formation of layers on the surface of 0.4 C-Cr carbon steel that are 2.9 times harder and 3.9 times more temperature oxidation resistant than those of the unmodified steel.

Введение. Для развития областей современной промышленности требуются материалы, способные работать в условиях высоких температур и нагрузок и при этом сохранять свою функциональность и работоспособность. Традиционные материалы, такие как конструкционная сталь 40Х, широко применяются в машиностроении и обладают низкой стоимостью. Однако обыкновенные и низколегированные стали подвергаются интенсивному окислению под воздействием температур свыше 400 ?. Для повышения эксплуатационных характеристик конструкционных сталей в высокотемпературных условиях актуальной задачей является разработка эффективных методов модификации их поверхности. Цель работы. Разработка технологии создания жаростойких поверхностных слоев на конструкционной стали марки 40Х. Для этого применялся метод вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковых материалов на основе тугоплавких элементов: ниобия, молибдена и бора. Методика исследования. В рамках исследования проводилось формирование модифицированных слоев на сталь 40Х методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковых композиций системы Nb-Mo-B. Методами исследования являются оптическая микроскопия, растровая электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, оценка микротвердости, испытание на высокотемпературное окисление и расчет кинетики реакции окисления. Результаты и обсуждение. Строение модифицированных слоев с толщиной 2,0…2,3 мм имеет градиентную структуру, состоящую из легированного молибденом карбида ниобия в виде дендритов и кристаллов неправильной формы, а также эвтектических колоний на основе этого же карбида и твердых растворов α-Fe и α-(Mo, Fe). Рентгенофазовый анализ позволил установить в модифицированных слоях фазы карбида (Nb, Mo)C и твердые растворы на основе α-Fe и α-(Mo, Fe). Наплавка Nb, Mo и B позволила сформировать на поверхности углеродистой стали 40Х слои, имеющие твердость выше в 2,9 раза и жаростойкость выше в 3,9 раза относительно неупрочненной стали.

StructureElectron beam surfacingHigh-temperature oxidation resistanceHardnessСтруктураЭлектронно-лучевая наплавкаЖаростойкостьТвердостьFunding The study was carried out in accordance with the state assignment of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (project FSUN-2023-0009).Финансирование Исследование выполнено в соответствии с государственным заданием Минобрнауки России (проект FSUN-2023-0009).

Funding

The study was carried out in accordance with the state assignment of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (project FSUN-2023-0009).

Финансирование

Исследование выполнено в соответствии с государственным заданием Минобрнауки России (проект FSUN-2023-0009).

Microstructure and corrosion behavior of chromium-rich stainless steel coatings deposited by different laser cladding processes / S. Sun, Z. Wu, M. Pang, J. Chang, Y. Xuan, H. Qi, R. Yang, Y. Wu // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 29. – P. 3879–3890. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.02.044.High temperature corrosion resistance of FeCr(Ni, Al) alloys as bulk/overlay weld coatings in the presence of KCl at 600 °C / V. Ssenteza, J. Eklund, I. Hanif, J. Liske, T. Jonsson // Corrosion Science. – 2023. – Vol. 213. – P. 110896. – DOI: 10.1016/j.corsci.2022.110896.Thermal spray coatings on high-temperature oxidation and corrosion applications – A comprehensive review / V. Lakkannavar, K.B. Yogesha, C.D. Prasad, R.K. Phanden, G. Srinivasa, S.C. Prasad // Results in Surfaces and Interfaces. – 2024. – Vol. 16. – P. 100250. – DOI: 10.1016/j.rsurfi.2024.100250.Tribo-oxidation of Ti-Al-Fe and Ti-Al-Mn cladding layers obtained by non-vacuum electron beamtreatment / O.E. Matts, S.Yu. Tarasov, B. Domenichini, D.V. Lazurenko, A.V. Filippov, V.A. Bataev, M.V. Rashkovets, I.K. Chakin, K.I. Emurlaev // Surface and Coatings Technology. – 2021. – Vol. 421. – P. 127442. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2021.127442.Оспенникова О.Г., Подъячев В.Н., Столянков Ю.В. Тугоплавкие сплавы для новой техники // Труды ВИАМ. – 2016. – № 10 (46). – С. 55–63. – DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-10-5-5. – URL: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=1018 (дата обращения: 21.11.2025).Шестаков А.В., Карашаев М.М., Дмитриев Н.С. Технологические пути создания композиционных материалов на основе жаропрочных тугоплавких соединений (обзор) // Труды ВИАМ. – 2021. – № 8 (102). – С. 12–20. – DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-8-12-20. – URL: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=1732 (дата обращения: 21.11.2025).Chen B., Zhuo L. Latest progress on refractory high entropy alloys: Composition, fabrication, post processing, performance, simulation and prospect // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2023. – Vol. 110. – P. 105993. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2022.105993.Rymer L.-M., Lindner T., Lampke T. Enhanced high-temperature wear behavior of high-speed laser metal deposited Al0.3CrFeCoNi coatings alloyed with Nb and Mo // Surface and Coatings Technology. – 2023. – Vol. 470. – P. 129832. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2023.129832.Corrosion behavior of refractory metals in liquid lead at 1000 °C for 1000 h / Z. Xiao, J. Liu, Z. Jiang, L. Luo // Nuclear Engineering and Technology. – 2022. – Vol. 54 (6). – P. 1954–1961. – DOI: 10.1016/j.net.2021.12.014.Boride coatings structure and properties, produced by atmospheric electron-beam cladding / A. Teplykh, M. Golkovskiy, A. Bataev, E. Drobyaz, S.V. Veselov, E. Golovin, I.A. Bataev, A. Nikulina // Advanced Materials Research. – 2011. – Vol. 287–290. – P. 26–31. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.287-290.26.Oxidation performance of spark plasma sintered Inconel 625-NbC metal matrix composites / A. Grabos, P. Rutkowski, J. Huebner, D. Kozien, S. Zhang, Y.-L. Kuo, D. Kata, S. Hayashi // Corrosion Science. – 2022. – Vol. 205. – P. 110453. – DOI: 10.1016/j.corsci.2022.110453.Kinetics and mechanisms of high-temperature oxidation in BCC and FCC high-alloy Fe-based alloys with high volume fraction of carbides / K. Wieczerzak, M. Stygar, T. Brylewski, R. Chulist, P. Bala, J. Michler // Materials & Design. – 2024. – Vol. 244. – P. 113163. – DOI: 10.1016/j.matdes.2024.113163.Wear-resistant boride reinforced steel coatings produced by non-vacuum electron beam cladding / D.A. Santana, G.Y. Koga, W. Wolf, I.A. Bataev, A.A. Ruktuev, C. Bolfarini, C.S. Kiminami, W.J. Botta, A.M. Jorge Jr // Surface & Coatings Technology. – 2020. – Vol. 386. – P. 125466. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125466.Microstructure and mechanical properties of carbides reinforced nickel matrix alloy prepared by selective laser melting / T. Xia, R. Wang, Z. Bi, R. Wang, P. Zhang, G. Sun, J. Zhang // Materials. – 2021. – Vol. 14. – P. 4792. – DOI: 10.3390/ma14174792.Effect of addition of metal carbide on the oxidation behaviors of titanium matrix composites / L. Yanbin, L. Yong, Z. Zhongwei, C. Yanhui, T. Huiping // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 599. – P. 188–194. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.02.056.The elevated temperature oxidation and wear behavior of Fe20Co20Ni20Cr8Mo12B10Si10 high-entropy alloy coating by laser cladding / G. Zhang, Z. Zhang, J. Xuan, B. Chen, D. Jiang, X. Song // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 29. – P. 4216–4231. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.02.135.Effects of Nb content on the microstructure and properties of CoCrFeMnNiNbx high-entropy alloy coatings by laser cladding / M. Feng, T. Lin, G. Lian, C. Chen, X. Huang // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 28. – P. 3835–3848. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.01.002.Wear of Mo- and W-alloyed TiAlN coatings during high-speed turning of stainless steel / M. Moreno, J.M. Andersson, M.P. Johansson-Jöesaar, B.E. Friedrich, R. Boyd, I.C. Schramm, L.J.S. Johnson, M. Odén, L. Rogström // Surface and Coatings Technology. – 2022. – Vol. 446. – P. 128786. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128786.B and Ce composite microalloying for improving high-temperature oxidation resistance of 254SMO super-austenite stainless steel / Z. Li, J. Ren, J. Ma, C. Zhang, W. Wang, Y. Li, N. Dong, P. Han // Intermetallics. – 2024. – Vol. 174. – P. 108457. – DOI: 10.1016/j.intermet.2024.108457.Анализ современной ситуации в области применения электронно-пучковой обработки различных сплавов. Ч. 1 / Д.В. Комаров, С.В. Коновалов, Д.В. Жуков, И.С. Виноградов, И.А. Панченко // Ползуновский вестник. – 2021. – № 4. – C. 129–139. – DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2021.04.017.Non-vacuum electron-beam boriding of lowcarbon steel / I.A. Bataev, A.A. Bataev, M.G. Golkovsky, A.Yu. Teplykh, V.G. Burov, S.V. Veselov // Surface and Coatings Technology. – 2012. – Vol. 207. – P. 245–253. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.06.081.Cutting and welding of high-strength steels using non-vacuum electron beam as a universal tool for material processing / T. Hassel, N. Murray, G. Klimov, A. Beniyash // World Journal of Engineering and Technology. – 2016. – Vol. 4. – P. 598–607. – DOI: 10.4236/wjet.2016.44056.Марочник сталей и сплавов / под ред. А.С. Зубченко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2003. – 784 c. – ISBN 978-5-94275-582-9.ГОСТ Р ИСО 6507-1–2007. Металлы и сплавы. Измерение твердости по Виккерсу. Ч. 1. Метод измерения. – М.: Стандартинформ, 2008. – 16 с.ГОСТ 6130–71. Металлы. Методы определения жаростойкости: взамен ГОСТ 6130–52: переизд. (сент. 1990 г.) с Изм. № 1. – М.: Изд-во стандартов, 1990. – 14 с.Rogl P., Korniyenko K., Velikanova T. Boron – Carbon – Niobium // Refractory Metal Systems. – Springer, 2009. – P. 474–498. – DOI: 10.1007/978-3-540-88053-0_20.The crystal structure of trigonal diboron trioxide / G.E. Gurr, P.W. Montgomery, C.D. Knutson, B.T. Gorres // Acta Crystallographica. – 1970. – Vol. 26 (7). – P. 906–915. – DOI: 10.1107/S0567740870003369.Tool steel coatings based on niobium carbide and carbonitride compounds / R.A. Mesquita, C.A. Schuh // Surface and Coatings Technology. – 2012. – Vol. 207. – P. 472–479. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.07.052.Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней: введение в коррозионную науку и технику / пер. с англ. А.М. Сухотина. – Л.: Химия, 1989. – 456 с. – ISBN 5-7245-0355-7.Oxidation mechanism and high-temperature strength of Mo–B–C-coated diamonds in the 700°C–1200 °C temperature range / X. Mao, Q. Meng, S. Wang, S. Huang, M. Yuan, Y. Qiu // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 33. – P. 7829–7841. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.10.249.Effects of Mo and Nb on the microstructure and high temperature oxidation behaviors of CoCrFeNi-based high entropy alloys / T. Wu, L. Yu, G. Chen, R. Wang, Y. Xue, Y. Lu, B. Luan // Journal of Materials Research and Technology. – 2023. – Vol. 27. – P. 1537–1549. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.10.058.