Influence of Thermal Effects on the Micromechanical Properties of the Nickel-Chromium Coating obtained by Gas Powder Laser Cladding

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Nickel-chromium coatings can be used in parts that are operated at high temperatures (hot deformation dies, rolls of rolling mills, live rolls, parts of turbines, heat exchangers, etc.). A promising method of coating deposition is gas powder laser cladding, which forms coatings with increased hardness and uniformity. A modern method for evaluating the mechanical properties of nickel-chromium coatings is instrumental microindentation, which records diagrams during loading and unloading of the indenter. The aim of the work is to study the effect of thermal action in the temperature range of 800…1050 °C on the micromechanical properties of the NiCrBSi coating PG-10N-01 obtained by gas powder laser cladding. Methods of research are instrumental microindentation and scanning electron microscopy using energy-dispersive microanalysis. Results and discussion. Thermal action at a temperature of 800 °C only slightly reduces the strength characteristics of the coating, while the dissolution of the strengthening phases in the structure of the coating when heated to 900 °C leads to a significant decrease in the hardness characteristics and parameters that characterize the resistance to elastic-plastic deformation. The formation of a “frame-like” structure with a base of large carboborides Cr2(B,C) and borides Cr2B with increased elastic moduli upon heating to 1050 °C (holding for 1 h, cooling in air) leads to a strong increase in the average contact elastic modulus to ~ 280 GPa (with an average level of elastic modulus of ~ 200 GPa in the coating after cladding and after additional heating to 800 and 900 °C). Also, the strength characteristics of microindentation (Martens hardness and indentation hardness at maximum load) and calculated parameters that indicate the improved ability of the coating with a “frame-like” structure to deform in a “favorable” elastic region, as well as to resist mechanical contact loads even after the beginning of the plastic flow, grow to maximum values.

About the authors

N. N. Soboleva

Email: natashasoboleva@list.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya st., 620049, Ekaterinburg, Russian Federation, natashasoboleva@list.ru

A. V. Makarov

Email: avm@imp.uran.ru
D.Sc. (Engineering), 1. Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya st., 620049, Ekaterinburg, Russian Federation; 2.M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 18 Sofia Kovalevskaya st., Yekaterinburg, 620219, Russian Federation; 3. Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 19 Mira st., Yekaterinburg, 620002, Russian Federation, avm@imp.uran.ru

A. K. Stepchenkov

Email: alexander.stepchenkov@gmail.com
1. Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya st., 620049, Ekaterinburg, Russian Federation; 2.M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 18 Sofia Kovalevskaya st., Yekaterinburg, 620219, Russian Federation, alexander.stepchenkov@gmail.com

I. Yu. Malygina

Email: malygina@imach.uran.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya st., 620049, Ekaterinburg, Russian Federation, malygina@imach.uran.ru

Y. S. Korobov

Email: yukorobov@gmail.com
D.Sc. (Engineering), 1. M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 18 Sofia Kovalevskaya st., Yekaterinburg, 620219, Russian Federation; 2. Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 19 Mira st., Yekaterinburg, 620002, Russian Federation, yukorobov@gmail.com

References

  1. Оковитый В.А., Пантелеенко Ф.И. Оптимизация процесса напыления износостойких покрытий на основе многофункциональной оксидной керамики // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2015. – № 2. – С. 46–54. – doi: 10.17212/1994-6309-2015-2-39-45.
  2. Получение упрочняющих покрытий из аморфизируемых сплавов Fe–Cr–Si–B–C лазерно-плазменными методами / М.Н. Хомяков, П.А. Пинаев, П.А. Стаценко, И.Б. Мирошниченко, Г.Н. Грачев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – № 4. – С. 21–34. – doi: 10.17212/1994-6309-2018-20.4-21-34.
  3. Выбор параметров термической обработки наплавленных высокохромистых покрытий, легированных комплексом боридных соединений / Е.Н. Еремин, А.С. Лосев, С.А. Бородихин, И.А. Пономарев, А.Е. Маталасова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – № 4. – С. 72–82. – doi: 10.17212/1994-6309-2018-20.4-72-82.
  4. Влияние температуры оплавления на структуру и свойства самофлюсующихся покрытий на основе никеля / Е.Е. Корниенко, А.А. Никулина, А.Г. Баннов, В.И. Кузьмин, М. Мильдебрах, В.A. Безрукова, А.А. Жойдик // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2016. – № 4. – С. 52–62. – doi: 10.17212/1994-6309-2016-4-52-62.
  5. Automatic remelting and enhanced mechanical performance of a plasma sprayed NiCrBSi coating / L. Chen, H. Wang, C. Zhao, S. Lu, Z. Wang, J. Sha, S. Chen, L. Zhang // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 369. – P. 31–43. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2019.04.052.
  6. Microstructure, wear and corrosion behaviors of plasma sprayed NiCrBSi–Zr coating / J. Xiao, Y. Wu, W. Zhang, J. Chen, X. Wei, C. Zhang // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 360. – P. 172–180. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.12.114.
  7. Morphology and characterization of laser clad composite NiCrBSi–WC coatings on stainless steel / M.J. Tobar, C. Álvares, J.M. Amado, G. Rodríguez, A. Yáñez // Surface and Coatings Technology. – 2006. – Vol. 200, iss. 22–23. – P. 6313–6317. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2005.11.093.
  8. Study on the laser cladding of FeCrNi coating / W. Gao, C. Chang, G. Li, Y. Xue, J. Wang, Z. Zhang, X. Lin // Optik. – 2019. – Vol. 178. – P. 950–957. – doi: 10.1016/j.ijleo.2018.10.062.
  9. D’;Oliveira A.S.C.M., Vilar R., Feder C.G. High temperature behavior of plasma transferred arc and laser Co–based alloy coatings // Applied Surface Science. – 2002. – Vol. 201, iss. 1–4. – P. 154–160. – doi: 10.1016/S0169-4332(02)00621-9.
  10. Tamanna N., Crouch R., Naher S. Progress in numerical simulation of the laser cladding process // Optics and Lasers in Engineering. – 2019. – Vol. 122. – P. 151–163. – doi: 10.1016/j.optlaseng.2019.05.026.
  11. Microstructure and wear behaviors of WC–Ni coatings fabricated by laser cladding under high frequency micro–vibration / C. Li, Q. Zhang, F. Wang, P. Deng, Q. Lu, Y. Zhang, S. Li, P. Ma, W. Li, Y. Wang // Applied Surface Science. – 2019. – Vol. 485. – P. 513–519. – doi: 10.1016/j.apsusc.2019.04.245.
  12. Abrasive wear behavior of laser clad and flame sprayed-melted NiCrBSi coatings / С. Navas, R. Colaço, J. de Damborenea, R. Vilar // Surface and Coatings Technology. – 2006. – Vol. 200, iss. 24. – P. 6854–6862. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2005.10.032.
  13. Wear behaviour of flame sprayed NiCrBSi coating remelted by flame or by laser / R. González, M. Cadenas, R. Fernández, J.L. Cortizo, E. Rodríguez // Wear. – 2007. – Vol. 262, iss. 3–4. – P. 301–307. – doi: 10.1016/j.wear.2006.05.009.
  14. High temperature wear resistance of laser cladding NiCrBSi and NiCrBSi/WC–Ni composite coatings / Ch. Guo, J. Zhou, J. Chen, J. Zhao, Y. Yu, H. Zhou // Wear. – 2011. – Vol. 270, iss. 7–8. – P. 492–498. – doi: 10.1016/j.wear.2011.01.003.
  15. Influence of the deposition techniques on the mechanical properties and microstructure of NiCrBSi coatings / T. Gómez-del Río, M.A. Garrido, J.E. Fernández, M. Cadenas, J. Rodríguez // Journal of Materials Processing Technology. – 2008. – Vol. 204, iss. 1–3. – P. 304–312. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2007.11.042.
  16. Serres N., Portha N., Machi F. Influence of salt fog aging tests on mechanical resistance of laser clad-coatings // Surface and Coatings Technology. – 2011. – Vol. 205, iss. 23–24. – P. 5330–5337. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2011.05.042.
  17. A study on microstructure and flame erosion mechanism of a graded Ni–Cr–B–Si coating prepared by laser cladding / H.-F. Xuan, Q.-Y. Wang, S.-L. Bai, Z.-D. Liu, H.-G. Sun, P.-Ch. Yan // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 244. – P. 203–209. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.02.021.
  18. Оценка влияния наполнителей на механические свойства эпоксидного клеевого покрытия, определенные методом инструментального микроиндентирования / С.В. Смирнов, И.А. Веретенникова, Е.О. Смирнова, А.В. Пестов // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. – 2017. – № 6. – С. 103–111. – doi: 10.17804/2410-9908.2017.6.103-111.
  19. Повышение микромеханических свойств и износостойкости хромоникелевого лазерного покрытия финишной фрикционной обработкой / А.В. Макаров, Н.Н. Соболева, Р.А. Саврай, И.Ю. Малыгина // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. – 2015. – № 4. – С. 60–67. – doi: 10.18323/2073-5073-2015-4-60-67.
  20. ISO 14577–1:2015. Metallic materials instrumented indentation test for hardness and materials parameters – Part 1: Test method. – Publication date: 2015-07. – [S. l.], 2015. – 46 p.
  21. ГОСТ Р 8.748–2011. Государственная система обеспечения единства измерений. Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Ч. 1. Метод испытаний. – М.: Стандартинформ, 2013. – 28 с.
  22. Oliver W.C., Pharr J.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // Journal of Materials Research. – 1992. – Vol. 7, iss. 6. – P. 1564–1583. – doi: 10.1557/JMR.1992.1564.
  23. Golovin Yu.I. Nanoindentation and mechanical properties of solids in submicrovolumes, thin near-surface layers, and films: a review // Physics of the Solid State. – 2008. – Vol. 50, N 12. – P. 2205–2236. – doi: 10.1134/S1063783408120019.
  24. Formation of wear-resistant chromium-nickel coating with extra high thermal stability by combined laser-and-heat treatment / A.V. Makarov, N.N. Soboleva, I.Yu. Malygina, A.L. Osintseva // Metal Science and Heat Treatment. – 2015. – Vol. 57, iss. 3–4. – P. 161–168. – doi: 10.1007/s11041-015-9856-8.
  25. Патент 2492980 Российская Федерация. Способ получения теплостойкого покрытия / А.В. Макаров, Н.Н. Соболева, И.Ю. Малыгина, А.Л. Осинцева. – № 2012114841/02; заявл. 13.04.2012; опубл. 20.09.2013, Бюл. № 26. – 6 с.
  26. Wear-resistant nickel-based laser clad coatings for high-temperature applications / A.V. Makarov, Yu.S. Korobov, N.N. Soboleva, Yu.V. Khudorozhkova, A.A. Vopneruk, P. Balu, L. Kotte, I.Yu. Malygina, S.V. Burov, A.K. Stepchenkov // Letters on Materials. – 2019. – Vol. 9, N 4. – P. 470–474. – doi: 10.22226/2410-3535-2019-4-470-474.
  27. Improving the properties of a rapidly crystallized NiCrBSi laser clad coating by high-temperature processing / A.V. Makarov, N.N. Soboleva, I.Yu. Malygina, E.V. Kharanzhevskiy // Journal of Crystal Growth. – 2019. – Vol. 525. – P. 125200-1–125200-5. – doi: 10.1016/j.jcrysgro.2019.125200.
  28. Самсонов Г.В., Серебрякова Т.И., Неронов В.А. Бориды. – M.: Атомиздат, 1975. – 376 с.
  29. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов. – 3–е изд., перераб. и доп. – М.: МИСИС, 1998. – 398 с. – ISBN 5-87623-017-0.
  30. Change of Young's modulus of cold-deformed pure iron in a tensile test / J.A. Benito, J. Jorba, J.M. Manero, A. Roca // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2005. – Vol. 36, iss. 12. – P. 3317–3324. – doi: 10.1007/s11661-005-0006-6.
  31. Юркова А.И., Мильман Ю.В., Бякова А.В. Структура и механические свойства железа после поверхностной интенсивной пластической деформации трением. II. Механические свойства нано- и субмикрокристаллического железа // Деформация и разрушение материалов. – 2009. – № 2. – С. 2–8.
  32. Structural features of the behavior of a high-carbon pearlitic steel upon cyclic loading / A.V. Makarov, R.A. Savrai, V.M. Schastlivtsev, T.I. Tabatchikova, I.L. Yakovleva, L.Yu. Egorova // Physics of Metals and Metallography. – 2011. – Vol. 111, iss. 1. – P. 95–109. – doi: 10.1134/S0031918X11010091.
  33. Повышение прочности коррозионностойкой аустенитной стали AISI 321 фрикционной обработкой / Р.А Саврай, А.В. Макаров, И.Ю. Малыгина, С.А. Роговая, А.Л. Осинцева // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. – 2017. – № 5. – С. 43–62. – doi: 10.17804/2410-9908.2017.5.043-062.
  34. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений: справочник / под ред. Т.Я. Косолаповой. – М.: Металлургия, 1986. – 928 с.
  35. Structure and thermophysical properties of aluminum-matrix composites / N.B. Pugacheva, N.S. Michurov, E.I. Senaeva, T.M. Bykova // The Physics of Metals and Metallography. – 2016. – Vol. 117. – P. 1144–1151. – doi: 10.1134/S0031918X16110119.
  36. Page T.F., Hainsworth S.V. Using nanoindentation techniques for the characterization of coated systems: A critique // Surface and Coatings Technology. – 1993. – Vol. 61, iss. 1–3. – P. 201–208. – doi: 10.1016/0257-8972(93)90226-E.
  37. Износостойкость и механические свойства сплавов медицинского назначения / М.И. Петржик, М.Р. Филонов, К.А. Печеркин, Е.А. Левашов, В.Н. Олесова, А.И. Поздеев // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2005. – № 6. – C. 62–69.
  38. Petrzhik M.I., Levashov E.A. Modern methods for investigating functional surfaces of advanced materials by mechanical contact testing // Crystallography Reports. – 2007. – Vol. 52, N 6. – P. 966–974. – doi: 10.1134/S1063774507060065.
  39. Фирстов С.А., Горбань В.Ф., Печковский Э.П. Новые методологические возможности определения механических свойств современных материалов методом автоматического индентирования // Наука та інновації. – 2010. – Т. 6, № 5. – С. 7–18.
  40. Cheng Y.T., Cheng C.M. Relationships between hardness, elastic modulus and the work of indentation // Applied Physics Letters. – 1998. – Vol. 73, N 5. – P. 614–618. – doi: 10.1063/1.121873.
  41. Mayrhofer P.H., Mitterer C., Musil J. Structure–property relationships in single- and dual-phase nanocrystalline hard coatings // Surface and Coatings Technology. – 2003. – Vol. 174–175. – P. 725–731. – doi: 10.1016/S0257-8972(03)00576-0.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».