Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет42444310.17212/1994-6309-2026-28.2-264-279MATERIAL SCIENCEМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕResearch ArticleElectric arc surfacing using flux-cored wire with titanium carbide fillingЭлектродуговые покрытия, наплавленные порошковой проволокой с карбидным наполнениемhttps://orcid.org/0000-0002-8267-971X6602586310A-8563-20147417-4545ПрибытковГеннадий АндреевичPribytkovGennady A.
Russian Federation

доктор техн. наук, доцент

D.Sc. (Engineering), Associate Professor

gapribyt@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2253-058256155070700В-4744-20147277-7897FirsinaIrina A.ФирсинаИрина Александровна
Russian Federation

канд. техн. наук

Ph.D. (Engineering)

iris1983@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7305-6692572020043075553-1164MikhnoAlexey R.МихноАлексей Романович
Russian Federation

Director of Scientific and Production Center "Welding Processes and Technologies"

Директор НПЦ "Сварочные процессы и технологии"

mikno-mm131@mail.ruInstitute of Strength Physics and Materials Sciences SB RASИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНСибирский государственный индустриальный университетSiberian State Industrial Universityruen282ТОМ 28, №2 (2026)VOL 28, NO2 (2026)26427902062026Copyright ©; 2026, Pribytkov G.A., Firsina I.A., Mikhno A.R.Copyright ©; 2026, Прибытков Г.А., Фирсина И.А., Михно А.Р.2026Pribytkov G.A., Firsina I.A., Mikhno A.R.Прибытков Г.А., Фирсина И.А., Михно А.Р.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/424443

Introduction. To extend the service life of components exposed to abrasive particles during operation, wear-resistant coatings are applied to their working surfaces using powder spraying or various surfacing methods. One of the simplest and most accessible surfacing techniques is arc surfacing in air. To improve the productivity of this process, flux-cored wire is used instead of stick electrodes. Subject. This paper describes the technology for producing a composite powder for flux?cored wire manufacturing, and presents the equipment used for wire fabrication and arc coating surfacing. The purpose of the work is to investigate a composite powder synthesized from a mechanically activated mixture of ferrotitanium (FeTi35Si5) and carbon black (soot), as well as the wear?resistant coatings deposited by arc surfacing onto a steel 0.09 C–Mn–2 Si substrate using a low?carbon steel 0.08 C–Al wire with a composite powder core. Methods. The powder and the arc?surfaced coatings were characterized by optical metallography, scanning electron microscopy (SEM) with energy?dispersive X-ray spectroscopy (EDS) for elemental composition analysis, and X?ray diffraction (XRD). The surfaced coatings were tested for abrasive wear according to GOST 23.208–79, and the microhardness of both the powder and the coatings was measured. The composite powder used as the core filling in the flux?cored wire was obtained by crushing sintered cakes — the products of reaction synthesis in a mechanically activated powder mixture of ferrotitanium (FeTi35Si5) and carbon black, processed in an Activator?2S ball mill. Specialized equipment was used for flux?cored wire fabrication and for electric arc surfacing. Results and Discussion. According to XRD analysis, the powder synthesized from the mechanically activated ferrotitanium–carbon black mixture contains two phases: titanium carbide (TiC) and α?iron (ferrite). Metallographic examination revealed that the synthesized powder exhibits a structure characteristic of an iron?matrix composite reinforced with nanosized carbide particles. The coating surfaced using the flux?cored wire has the same phase composition, but with a reduced titanium carbide content. The coating features a martensite?like microstructure, exhibits 4.5 times higher hardness and 2.5 times higher abrasive wear resistance compared to a coating surfaced with a solid 0.08 C–Al steel wire (without powder filling). Conclusions. Electric arc coatings surfaced with flux?cored wire filled with an iron?matrix composite powder exhibit high hardness (6,629 ± 498 MPa) and abrasive wear resistance (158 ± 11 mg/h) due to the martensitic structure of the surfaced layer, which is additionally reinforced by micron?sized titanium carbide particles. During surfacing, the submicron titanium carbide particles present in the composite powder structure undergo complete dissolution, enriching the weld pool with carbon and promoting martensitic transformation upon cooling.

Введение. В целях продления срока службы деталей, которые в процессе эксплуатации подвергаются воздействию абразивных частиц, на их рабочие поверхности наносят износостойкие покрытия методами порошкового напыления или различными методами наплавки. Одним из самых простых и доступных методов наплавки является дуговая наплавка на воздухе. Для повышения производительности этого процесса вместо штучных электродов используется порошковая проволока. Предмет. В настоящей работе рассмотрена технология получения присадочного композиционного порошка для изготовления порошковой проволоки, описано оборудование для изготовления проволоки и для дуговой наплавки покрытий. Цель работы: исследовать композиционный порошок, синтезированный из механоактивированной смеси ферротитана ФТи35С5 и сажи (технический углерод), и износостойкие покрытия, полученные дуговой наплавкой на подложку из стали 09Г2С проволокой с оболочкой из малоуглеродистой стали 08Ю, заполненной композиционным порошком. Методы. Присадочный порошок и покрытия, полученные дуговой наплавкой, были исследованы методами оптической металлографии, растровой электронной микроскопии с определением элементного состава методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и рентгеноструктурного анализа. Проведены испытания наплавленных покрытий на абразивный износ по ГОСТ 23.208–79, измерена микротвердость присадочного порошка и наплавленных покрытий. Композиционный порошок, который был использован в качестве засыпки при изготовлении порошковой проволоки, был получен дроблением спеков – продуктов реакционного синтеза в порошковых смесях ферротитана ФТи35С5 с углеродом (сажей), механоактивированных в шаровой мельнице Activator-2S. Для изготовления порошковой проволоки и для наплавки электродуговых покрытий использовано специализированное оборудование. Результаты и обсуждение. Согласно результатам рентгеноструктурного анализа порошка, синтезированного из механоактивированной смеси ферротитана и сажи, продукты синтеза содержат две фазы: карбид титана и альфа-железо. Металлографическое исследование показало, что синтезированный порошок имеет структуру железоматричного композита с наноразмерным карбидным упрочнением. Покрытие, наплавленное порошковой проволокой, имеет такой же фазовый состав, но с уменьшенным содержанием карбида титана. Покрытие имеет мартенситноподобную микроструктуру, в 4,5 раза большую твердость и в 2,5 раза большую абразивную износостойкость по сравнению с покрытием, наплавленным проволокой из стали 08Ю, не заполненной порошком. Выводы. Электродуговые покрытия порошковой проволокой, заполненной железоматричным композиционным порошком, имеют высокую твердость (6629 ± 498 МПа) и абразивную износостойкость (158 ± 11 мг/час) благодаря мартенситной структуре наплавки, дополнительно упрочненной частицами карбида титана микронного размера. При наплавке происходит полное растворение субмикронных частиц карбида титана, присутствующих в структуре композиционного порошка, что приводит к обогащению наплавочной ванны углеродом и мартенситному превращению при охлаждении.

Синтез в порошковых смесяхКарбид титанаЖелезоматричный композитПорошковая проволокаЭлектродуговая наплавкаСтруктураФазовый составИзносостойкостьТвердостьSynthesis in powder mixturesTiCFe-based matrix compositeFlux-cored wireElectric arc surfacingStructurePhase compositionWear resistanceHardnessФинансирование Исследование выполнено в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, тема номер FWRW-2026-0009. Благодарности Авторы благодарят В.П. Кривопалова за помощь при синтезе композиционных порошков, А.В. Барановского за помощь при проведении рентгеноструктурных исследований и К.О. Акимова за помощь при выполнении электронномикроскопических исследований.Funding The work was performed according to the Government Research Assignment for the ISPMS SB RAS (Project FWRW-2026-0009). Acknowledgements The authors would like to thank V.P. Krivopalov for his help in the powder synthesis, A.V. Baranovsky for his help in X-ray diffraction studies, and K.O. Akimov for his help in SEM studies.

Финансирование

Исследование выполнено в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, тема номер FWRW-2026-0009.

Благодарности

Авторы благодарят В.П. Кривопалова за помощь при синтезе композиционных порошков, А.В. Барановского за помощь при проведении рентгеноструктурных исследований и К.О. Акимова за помощь при выполнении электронномикроскопических исследований.

Funding

The work was performed according to the Government Research Assignment for the ISPMS SB RAS (Project FWRW-2026-0009).

Acknowledgements

The authors would like to thank V.P. Krivopalov for his help in the powder synthesis, A.V. Baranovsky for his help in X-ray diffraction studies, and K.O. Akimov for his help in SEM studies.

Sova A., Pervushin D., Smurov I. Development of multimaterial coatings by cold spray and gas detonation spraying // Surface and Coatings Technology. – 2010. – Vol. 205 (4). – P. 1108–1114. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2010.07.092.Computer-controlled detonation spraying: from process fundamentals toward advanced applications / V. Ulianitsky, A. Shtertser, S. Zlobin, I. Smurov // Journal of Thermal Spray Technology. – 2011. – Vol. 20 (4). – P. 791–801. – DOI: 10.1007/s11666-011-9649-6.Detonation spraying behavior of TiCx-Ti powders and the role of reactive processes in the coating formation / D.V. Dudina, G.A. Pribytkov, M.G. Krinitcyn, M.A. Korchagin, N.V. Bulina, B.B. Bokhonov, I.S. Batraev, D.K. Rybin, V.Yu. Ulianitsky // Ceramics International. – 2016. – Vol. 42. – P. 690–696. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.08.166.Study on reactive atmospheric plasma-sprayed in situ titanium compound composite coating / Y. Yao, Z. Wang, Z. Zhou, S. Jiang, J. Shao // Journal of Thermal Spray Technology. – 2013. – Vol. 22 (4). – P. 509–517. – DOI: 10.1007/s11666-013-9907-x.Калита В.И., Комлев Д.И. Плазменные покрытия с нанокристаллической и аморфной структурой: монография. – М.: Лидер-М, 2008. – 387 с. – ISBN 978-5-91593-005-5.Effect of Ti/Nb content on microstructure evolution and wear properties of in-situ (Ti,Nb)C reinforced composite coatings by plasma spray welding / X. Mao, P. Zhu, S. Huang, H. He, X. Sun, C. Xu, C. He, Y. Chen, Z. Cheng // Surface and Coatings Technology. – 2024. – Vol. 484. – P. 130826. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2024.130826.Study on the microstructure and mechanical properties of reactive plasma sprayed TiCxN1−x composite coatings with different Ti/graphite powders / Y. Qin, Z. He, H. Zhao, J. Song, J. Lu, Z. Ma, J. He // Diamond and Related Materials. – 2022. – Vol. 126. – P. 109028. – DOI: 10.1016/j.diamond.2022.109028.Effect of N on microstructure, nucleation mechanism and mechanical performance of (Ti,Nb)C particles in Fe-based composite coating via plasma spray welding / X. Mao, P. Zhu, X. Sun, C. Xu, S. Huang, H. He, Z. Cheng // Surface and Coatings Technology. – 2024. – Vol. 490. – P. 131177. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2024.131177.Corrosion behavior of cold sprayed 7075Al composite coating reinforced with TiB2 nanoparticles / X. Xie, B. Hosni, C. Chen, H. Wu, Y. Li, Z. Chen, C. Verdy, O.E.I. Kedim, Q. Zhong, A. Addad, C. Coddet, G. Ji, H. Liao // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 404. – P. 126460. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126460.Tuning the microstructure and mechanical properties of additive manufactured aluminum matrix composites by cold spray / Q. Wang, W. Niu, X. Li, P. Han, X. Mao, Y. Ju, M.-X. Zhang // Surface and Coatings Technology. – 2021. – Vol. 428. – P. 127847. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2021.127847.Wear behavior of electron beam remelting modified Ni/WC thermal spray coatings / G. Zhao, Q. Guo, Y. Li, J. Li, L. Ma, H. Li // Surface and Coatings Technology. – 2024. – Vol. 494 (1). – P. 131336. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2024.131336.Microstructure and corrosion properties of plasma-sprayed NiCr–Cr3C2 coatings comparison with different post treatment / G. Xie, Y. Lu, Z. He, B. Hu, K. Wang, X. Mo, Y. Wu, P. Lin // Surface and Coatings Technology. – 2008. – Vol. 202. – P. 2885–2890. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2007.10.024.Влияние различных высокоэнергетических обработок на структуру и свойства плазменнонапыленных покрытий на основе эвтектического железа / В.А. Клименов, Е.А. Ковалевский, Ю.Ф. Иванов, Б.С. Семухин, Ж.Г. Сенчило (Ковалевская) // Перспективные материалы. – 1997. – № 2. – С. 66–74.Неровный В.М. Особенности нанесения композиционных покрытий дуговой наплавкой в вакууме // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2018. – Т. 14, № 11 (167). – С. 514–518.Гладкий П.В., Переплетчиков Е.Ф., Рябцев И.А. Плазменная наплавка (обзор) // Сварочное производство. – 2007. – № 2. – С. 32–40.Электронно-лучевая наплавка в вакууме: оборудование, технология, свойства покрытий / В.Е. Панин, С.И. Белюк, В.Г. Дураков, Г.А. Прибытков, Н.Г. Ремпе // Сварочное производство. – 2000. – № 2. – С. 34–38.Фоминский Л.П., Казанский В.В. Наплавка порошковых покрытий пучком релятивистских электронов // Сварочное производство. – 1985. – № 5. – С. 13–15.Особенности конструкции и принцип работы установки для изготовления порошковой проволоки для сварки и наплавки / Е.А. Зернин, С.Б. Сапожков, Е.Д. Петрова, А.С. Андреев, Ш.С. Нозирзода // Сварочное производство. – 2023. – № 3. – С. 56–59.Carbide stoichiometry in TiCx and Cu-TiCx produced by self-propagating high-temperature synthesis / N. Zarrinfar, P.H. Shipway, A.R. Kinnedy, A. Saidi // Scripta Materialia. – 2002. – Vol. 46 (2). – P. 121–126. – DOI: 10.1016/S1359-6462(01)01205-2.Preparation of Fe-TiC composites by the thermal-explosion mode of combustion synthesis / A. Saidi, A. Crysanthou, J.V. Wood, J.L.F. Kellie // Ceramics International. – 1997. – Vol. 23 (2). – P. 185–189. – DOI: 10.1016/S0272-8842(96)00022-3.Fan Q., Chai H., Jin Z. Role of iron addition in the combustion synthesis of TiC-Fe cermet // Journal of Materials Science. – 1997. – Vol. 32 (16). – P. 4319–4323. – DOI: 10.1023/A:1018667722150.Han J.C., Zhang X.H., Wood J.V. In-situ combustion synthesis and densification of TiC–xNi cermets // Materials Science and Engineering: A. – 2000. – Vol. 280 (2). – P. 328–333. – DOI: 10.1016/S0921-5093(99)00606-1.Borisova A.L., Borisov Yu.S. Self-propagating high-temperature synthesis for the deposition of thermal-sprayed coatings // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. – 2008. – Vol. 47 (1–2). – P. 80–94. – DOI: 10.1007/s11106-008-0012-5.Microstructural evolution, mechanical properties and wear behavior of in-situ TiC-reinforced Ti matrix composite coating by induction cladding / M. Wei, H. Yu, Z. Song, Y. Yin, X. Zhou, H. Wang, X. Ji, X. Li, P. Shi, W. Zhang // Surface and Coatings Technology. – 2021. – Vol. 412. – P. 127048. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2021.127048.Mechanoactivated SHS in ferrotitanium–carbon black powder mixtures / G.A. Pribytkov, A.V. Baranovskiy, V.V. Korzhova, M.G. Krinitcyn // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. – 2020. – Vol. 29 (1). – P. 61–63. – DOI: 10.3103/S1061386220010082.Патент № 2750784 C1 Российская Федерация, МПК B22F 3/23, C22C 1/05, C22C 29/10. Способ получения порошкового композиционного материала: № 2020139984: заявл. 05.12.2020: опубл. 02.07.2021 / Г.А. Прибытков, Е.Н. Коростелева, А.В. Барановский, В.В. Коржова, М.Г. Криницын, В.П. Кривопалов; заявитель Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН).ГОСТ 23.208–79. Метод испытания на абразивный износ при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы. Механические испытания. Обеспечение износостойкости изделий. – М.: Стандартинформ, 2005. – 4 с.Марочник сталей и сплавов / под общ. ред. В.Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. – 638 c. – ISBN 5-217-00509-2.Твердость и абразивная износостойкость электронно-лучевых покрытий, наплавленных СВС композиционными порошками «TiC + сталь Р6М5» / Г.А. Прибытков, А.В. Барановский, И.А. Фирсина, В.Г. Дураков, М.Г. Криницын // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2017. – № 10. – С. 446–452.Structure and properties of composite coatings prepared by electron beam melting with "titanium carbide – titanium binder" / M. Krinitcyn, G. Pribytkov, V. Korzhova, I. Firsina // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 358. – P. 706–714. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.12.001.