Frontier Materials & Technologies. 2021; : 89-97
Влияние добавки карбида бора на структуру и твердость никелевого покрытия
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2021-4-89-97Аннотация
Лазерная наплавка все чаще применяется в различных отраслях машиностроения, так как по сравнению с традиционными методами создания покрытий она обладает такими преимуществами, как высокие скорости нагрева и охлаждения, минимальное перемешивание основного и наплавляемого материала. Нанесенные лазером покрытия обычно характеризуются мелкозернистой структурой и минимальной зоной термического влияния. Применение покрытий, сформированных из порошков системы Ni–Cr–B–Si, также очень распространено в промышленности, так как эти покрытия обладают хорошей стойкостью к износу, коррозии, эрозии и т. д. К указанной группе порошков для улучшения свойств наплавляемого покрытия добавляются различные упрочняющие частицы. В качестве таких частиц могут выступать карбиды бора, обладающие высокой твердостью и термодинамической устойчивостью, а также высокими показателями сопротивления изнашиванию. В работе исследовано влияние добавки 7 масс. % карбида бора В4С на структуру и твердость NiCrBSi покрытия, сформированного лазерной наплавкой из порошка марки ПГ-СР2 на поверхности стали 30ХРА. В работе проведены микроскопические исследования структуры NiCrBSi и NiCrBSi–В4С покрытий с использованием растрового электронного микроскопа, приведены результаты рентгеноспектрального микроанализа. Показано, что структура обоих покрытий в наплавленном состоянии характеризуется однородностью и мелкозернистостью. Выявлено, что образцы с NiCrBSi и NiCrBSi–В4С покрытиями имеют узкую переходную зону от покрытия к основному металлу. Приведены результаты измерения микротвердости покрытий, свидетельствующие о снижении микротвердости сформированных лазером никелевых покрытий при добавке карбида бора.
Список литературы
1. Земляков Е., Бабкин К., Корсмик Р., Скляр М., Кузнецов М. Перспективы использования технологий лазерной наплавки для восстановления лопаток компрессоров газотурбинных деталей // Фотоника. 2016. № 4. С. 10–25. DOI: 10.22184/1993-7296.2016.58.4.10.22.
2. Голубовский Е.Н., Паркин А.А., Жаткин С.С. Ремонт трещин на секторах лопаток газотурбинного двигателя методом разделки и лазерной импульсной наплавки // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2020. Т. 22. № 2. С. 107–112.
3. Соболева Н.Н., Макаров А.В., Малыгина И.Ю. Технологические аспекты фрикционной обработки покрытия ПГ-СР2, сформированного лазерной наплавкой // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2019. № 3. С. 47–53. DOI: 10.18323/2073-5073-2019-3-47-53.
4. Гибзун М.С., Макаров А.В., Соболева Н.Н., Малыгина И.Ю. Повышение фрикционной теплостойкости хромоникелевого покрытия комбинированной лазерно-термической обработкой // Master’s journal. 2017. № 1. С. 11–16.
5. Shi B.W., Li T., Wang D., Zhang X.R., Zhang H.C. Investigation on crack behavior of Ni60A alloy coating produced by coaxial laser cladding // Journal of Materials Science. 2021. Vol. 56. № 23. P. 13323–13336. DOI: 10.1007/s10853-021-06108-5.
6. Miguel J.M., Guilemany J.M., Vizcaino S. Tribological study of NiCrBSi coating obtained by different processes // Tribology International. 2003. Vol. 36. № 3. P. 181–187. DOI: 10.1016/S0301-679X(02)00144-5.
7. Niranatlumpong P., Koiprasert H. Phase transformation of NiCrBSi–WC and NiBSi–WC arc sprayed coatings // Surface and Coatings Technology. 2011. Vol. 206. № 2-3. P. 440–445. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2011.07.057.
8. Sha J., Chen L.-Y., Liu Y.-T., Yao Z.-J., Lu S., Wang Z.-X., Zang Q.-H., Mao S.-H., Zhang L.-C. Phase transformation-induced improvement in hardness and high-temperature wear resistance of plasma-sprayed and remelted NiCrBSi/WC coatings // Metals. 2020. Vol. 10. № 12. Article number 1688. DOI: 10.3390/met10121688.
9. Соболева Н.Н., Николаева Е.П., Макаров А.В., Малыгина И.Ю. Влияние добавки карбида хрома на структуру и абразивную износостойкость NiCrBSi покрытия, сформированного лазерной наплавкой // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2020. № 1. С. 68–76. DOI: 10.18323/2073-5073-2020-1-68-76.
10. Макаров А.В., Соболева Н.Н., Малыгина И.Ю., Осинцева А.Л. Формирование композиционного покрытия NiCrBSi-TiC с повышенной абразивной износостойкостью методом газопорошковой лазерной наплавки // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 11. С. 38–44.
11. Fals H.C., Aguiar D., Fanton L., Belém M.J.X., Lima C.R.C. A new approach of abrasive wear performance of flame sprayed NiCrSiBFeC/SiC composite coating // Wear. 2021. Vol. 477. № SI. Article number 203887. DOI: 10.1016/j.wear.2021.203887.
12. Senapati P., Sutar H. Surface erosion behaviour over NiCrBSi-Al2O3 composite coatings // Materials Research Express. 2020. Vol. 7. № 7. Article number 076512. DOI: 10.1088/2053-1591/aba396.
13. Li H.J., He Y., Luo P.Y., Fan Y., Yu H., Wang Y.Q., He T., Li Z.J., Zhang H.L. Influence of pulse frequency on corrosion resistance and mechanical properties of Ni-W/B4C composite coatings // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021. Vol. 629. Article number 127436. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2021.127436.
14. Кривиженко Д.С., Дробяз Е.А., Зимоглядова Т.А. Особенности структурообразования боросодержащих покрытий, полученных в процессе высокоскоростной обработки // Актуальные проблемы в машиностроении. 2014. № 1. С. 489–492.
15. Golyshev A.A., Filippov A.A. Comparative investigation of nickel-based metal-ceramic structures with ceramic particles of tungsten and carbides made by the selective laser melting method // Nanoscience and Technology. 2020. Vol. 11. № 3. Р. 247–257. DOI: 10.1615/NanoSciTechnolIntJ.2020033784.
16. Fan X.H., Geng L., Xu B., Li J. Laser Cladding NiCrBSi+2%B4C Coating on Ti-6Al-4V // Advanced Materials Research. 2009. Vol. 79-82. Р. 473–476. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.79-82.473.
17. Meng Q.W., Geng L., Zhang B.Y. Laser cladding of Ni-base composite coatings onto Ti–6Al–4V substrates with pre-placed B4C+NiCrBSi powders // Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 200. № 16-17. P. 4923–4928. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2005.04.059.
18. Geng L., Meng Q.W., Chen Y.B. In-situ Synthesis of Metal Matrix Composite Coating with Laser Melting-Solidifying Processes // Composite materials IV. Key Engineering Materials. 2006. Vol. 313. P. 139–144. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.313.139.
19. Голубев В.С., Вегера И.И., Чернашеюс О., Чаевский В.В. Лазерная обработка материалов с изменением химического состава поверхностного слоя // Вестник Барановичского государственного университета. Серия: Технические науки. 2019. № 7. С. 34–42.
20. Дробяз Е.А., Кривиженко Д.С., Поляков И.А., Нагавкин С.Ю., Иванцивский В.В. Структура и свойства боросодержащих покрытий, наплавленных электронным лучом, выведенным в воздушную атмосферу // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2012. № 4. С. 83–85.
21. Зусин В.Я. Исследование модифицирования металла, наплавленного порошковой проволокой с алюминиевой оболочкой // Вестник Приазовского государственного университета. Серия: Технические науки. 2011. № 23. С. 180–183.
22. Еремин Е.Н. Применение наночастиц тугоплавких соединений для повышения качества сварных соединений из жаропрочных сплавов // Омский научный вестник. 2009. № 3. С. 63–67.
23. Зернин Е.А., Кузнецов М.А. Способы модифицирование наплавленного металла наноструктурированными порошками для увеличения механических свойств сварных соединений // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 5. С. 206–212.
Frontier Materials & Technologies. 2021; : 89-97
The influence of boron carbide additive on the structure and hardness of a nickel-based coating
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2021-4-89-97Abstract
Laser cladding is increasingly frequently used in various branches of mechanical engineering since it has such advantages over traditional methods of depositing coatings as high heating and cooling rates and minimal mixing of base and melting materials. Laser-clad coatings are usually characterized by a fine-grained structure and a minimal heat-affected zone. Coatings formed from the Ni–Cr–B–Si powders are also very common in industrial applications, as they have good resistance to wear, corrosion, erosion, etc. Various strengthening particles can be added to this group of powders to improve the properties of the deposited coating. Boron carbides can act as such particles since they have high hardness, thermodynamic stability, and wear resistance. In this regard, the paper investigated the influence of the 7 wt. % of boron carbide B4C addition on the structure and hardness of the NiCrBSi coating formed by laser cladding of PG-SR2 powder on the surface of 30HRA steel. Using the scanning electron microscope, the authors carried out microscopic studies of the structure of NiCrBSi and NiCrBSi–B4C coatings and presented the results of X-ray spectral microanalysis. The study shows that the structures of both coatings in the deposited state are characterized by uniformity and fine-grain structure. The investigation revealed that the samples with NiCrBSi and NiCrBSi–B4C coatings have a narrow transition zone from the deposit to the base metal. The paper presents the results of measuring the microhardness of coatings indicating a decrease in the microhardness of laser-clad nickel-based coatings with the boron carbide addition.
References
1. Zemlyakov E., Babkin K., Korsmik R., Sklyar M., Kuznetsov M. Perspektivy ispol'zovaniya tekhnologii lazernoi naplavki dlya vosstanovleniya lopatok kompressorov gazoturbinnykh detalei // Fotonika. 2016. № 4. S. 10–25. DOI: 10.22184/1993-7296.2016.58.4.10.22.
2. Golubovskii E.N., Parkin A.A., Zhatkin S.S. Remont treshchin na sektorakh lopatok gazoturbinnogo dvigatelya metodom razdelki i lazernoi impul'snoi naplavki // Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk. 2020. T. 22. № 2. S. 107–112.
3. Soboleva N.N., Makarov A.V., Malygina I.Yu. Tekhnologicheskie aspekty friktsionnoi obrabotki pokrytiya PG-SR2, sformirovannogo lazernoi naplavkoi // Vektor nauki Tol'yattinskogo gosudarstvennogo universiteta. 2019. № 3. S. 47–53. DOI: 10.18323/2073-5073-2019-3-47-53.
4. Gibzun M.S., Makarov A.V., Soboleva N.N., Malygina I.Yu. Povyshenie friktsionnoi teplostoikosti khromonikelevogo pokrytiya kombinirovannoi lazerno-termicheskoi obrabotkoi // Master’s journal. 2017. № 1. S. 11–16.
5. Shi B.W., Li T., Wang D., Zhang X.R., Zhang H.C. Investigation on crack behavior of Ni60A alloy coating produced by coaxial laser cladding // Journal of Materials Science. 2021. Vol. 56. № 23. P. 13323–13336. DOI: 10.1007/s10853-021-06108-5.
6. Miguel J.M., Guilemany J.M., Vizcaino S. Tribological study of NiCrBSi coating obtained by different processes // Tribology International. 2003. Vol. 36. № 3. P. 181–187. DOI: 10.1016/S0301-679X(02)00144-5.
7. Niranatlumpong P., Koiprasert H. Phase transformation of NiCrBSi–WC and NiBSi–WC arc sprayed coatings // Surface and Coatings Technology. 2011. Vol. 206. № 2-3. P. 440–445. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2011.07.057.
8. Sha J., Chen L.-Y., Liu Y.-T., Yao Z.-J., Lu S., Wang Z.-X., Zang Q.-H., Mao S.-H., Zhang L.-C. Phase transformation-induced improvement in hardness and high-temperature wear resistance of plasma-sprayed and remelted NiCrBSi/WC coatings // Metals. 2020. Vol. 10. № 12. Article number 1688. DOI: 10.3390/met10121688.
9. Soboleva N.N., Nikolaeva E.P., Makarov A.V., Malygina I.Yu. Vliyanie dobavki karbida khroma na strukturu i abrazivnuyu iznosostoikost' NiCrBSi pokrytiya, sformirovannogo lazernoi naplavkoi // Vektor nauki Tol'yattinskogo gosudarstvennogo universiteta. 2020. № 1. S. 68–76. DOI: 10.18323/2073-5073-2020-1-68-76.
10. Makarov A.V., Soboleva N.N., Malygina I.Yu., Osintseva A.L. Formirovanie kompozitsionnogo pokrytiya NiCrBSi-TiC s povyshennoi abrazivnoi iznosostoikost'yu metodom gazoporoshkovoi lazernoi naplavki // Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2013. № 11. S. 38–44.
11. Fals H.C., Aguiar D., Fanton L., Belém M.J.X., Lima C.R.C. A new approach of abrasive wear performance of flame sprayed NiCrSiBFeC/SiC composite coating // Wear. 2021. Vol. 477. № SI. Article number 203887. DOI: 10.1016/j.wear.2021.203887.
12. Senapati P., Sutar H. Surface erosion behaviour over NiCrBSi-Al2O3 composite coatings // Materials Research Express. 2020. Vol. 7. № 7. Article number 076512. DOI: 10.1088/2053-1591/aba396.
13. Li H.J., He Y., Luo P.Y., Fan Y., Yu H., Wang Y.Q., He T., Li Z.J., Zhang H.L. Influence of pulse frequency on corrosion resistance and mechanical properties of Ni-W/B4C composite coatings // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021. Vol. 629. Article number 127436. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2021.127436.
14. Krivizhenko D.S., Drobyaz E.A., Zimoglyadova T.A. Osobennosti strukturoobrazovaniya borosoderzhashchikh pokrytii, poluchennykh v protsesse vysokoskorostnoi obrabotki // Aktual'nye problemy v mashinostroenii. 2014. № 1. S. 489–492.
15. Golyshev A.A., Filippov A.A. Comparative investigation of nickel-based metal-ceramic structures with ceramic particles of tungsten and carbides made by the selective laser melting method // Nanoscience and Technology. 2020. Vol. 11. № 3. R. 247–257. DOI: 10.1615/NanoSciTechnolIntJ.2020033784.
16. Fan X.H., Geng L., Xu B., Li J. Laser Cladding NiCrBSi+2%B4C Coating on Ti-6Al-4V // Advanced Materials Research. 2009. Vol. 79-82. R. 473–476. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.79-82.473.
17. Meng Q.W., Geng L., Zhang B.Y. Laser cladding of Ni-base composite coatings onto Ti–6Al–4V substrates with pre-placed B4C+NiCrBSi powders // Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 200. № 16-17. P. 4923–4928. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2005.04.059.
18. Geng L., Meng Q.W., Chen Y.B. In-situ Synthesis of Metal Matrix Composite Coating with Laser Melting-Solidifying Processes // Composite materials IV. Key Engineering Materials. 2006. Vol. 313. P. 139–144. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.313.139.
19. Golubev V.S., Vegera I.I., Chernasheyus O., Chaevskii V.V. Lazernaya obrabotka materialov s izmeneniem khimicheskogo sostava poverkhnostnogo sloya // Vestnik Baranovichskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki. 2019. № 7. S. 34–42.
20. Drobyaz E.A., Krivizhenko D.S., Polyakov I.A., Nagavkin S.Yu., Ivantsivskii V.V. Struktura i svoistva borosoderzhashchikh pokrytii, naplavlennykh elektronnym luchom, vyvedennym v vozdushnuyu atmosferu // Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty). 2012. № 4. S. 83–85.
21. Zusin V.Ya. Issledovanie modifitsirovaniya metalla, naplavlennogo poroshkovoi provolokoi s alyuminievoi obolochkoi // Vestnik Priazovskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki. 2011. № 23. S. 180–183.
22. Eremin E.N. Primenenie nanochastits tugoplavkikh soedinenii dlya povysheniya kachestva svarnykh soedinenii iz zharoprochnykh splavov // Omskii nauchnyi vestnik. 2009. № 3. S. 63–67.
23. Zernin E.A., Kuznetsov M.A. Sposoby modifitsirovanie naplavlennogo metalla nanostrukturirovannymi poroshkami dlya uvelicheniya mekhanicheskikh svoistv svarnykh soedinenii // Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2014. № 5. S. 206–212.
