Структура и свойства покрытий на основе тугоплавких элементов, полученных методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

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.

Об авторах

Евдокия Геннадьевна Бушуева

Новосибирский государственный технический университет

Email: bushueva@corp.nstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-7608-734X
SPIN-код: 7234-8480
Scopus Author ID: 25627090600
ResearcherId: G-9820-2019
https://ciu.nstu.ru/kaf/persons/20088/

канд. техн. наук, доцент

Россия, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

Артём Евгеньевич Наставшев

Новосибирский государственный технический университет

Email: artem.nastavshev@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-1082-2086
SPIN-код: 8192-5075

студент

Россия, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

Ксения Андреевна Скороход

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН

Email: k.skorokhod@itam.nsc.ru
ORCID iD: 0000-0003-0210-8405
SPIN-код: 7355-7796
Scopus Author ID: 56071091100
ResearcherId: HLW-5596-2023

м.н.с.

Россия, 630090, Россия, Новосибирск, ул. Институтская, 4/1

Евгений Вадимович Домаров

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН

Email: domarov88@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2422-1513
SPIN-код: 6160-8912
Scopus Author ID: 55325348200
ResearcherId: E-3638-2015

н.с.

Россия, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика М.А. Лаврентьева, 11

Иван Петрович Мишин

Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: mip@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0001-8294-7238
SPIN-код: 3626-3270
Scopus Author ID: 14827250100
ResearcherId: F-7394-2017

канд. физ.-мат. наук, н.с.

Россия, 634055, Россия, г. Томск, пр. Академический, 2/4

Список литературы

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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/ href='www.scientific.net/AMR.287-290.26' target='_blank'>www.scientific.net/AMR.287-290.26.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. 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.
  19. 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.
  20. 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.
  21. 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.
  22. 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.
  23. 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.
  24. ГОСТ Р ИСО 6507-1–2007. Металлы и сплавы. Измерение твердости по Виккерсу. Ч. 1. Метод измерения. – М.: Стандартинформ, 2008. – 16 с.
  25. 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.
  26. 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.
  27. 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.
  28. 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.
  29. 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.
  30. 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.
  31. 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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Примечание

Финансирование

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



Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии 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».