КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-79-00031

НазваниеРазработка научных и технологических основ формирования NiCrBSi покрытий с повышенными эксплуатационными характеристиками комбинированными лазерно-термическими обработками

РуководительСоболева Наталья Николаевна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук, Свердловская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаNiCrBSi покрытия, лазерная наплавка, термическая обработка, теплостойкость, микроиндентирование, трибологические свойства, кавитация

Код ГРНТИ55.22.31; 55.21.15; 53.49.05


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы комплексного научного обоснования обнаруженного с участием автора проекта нового эффекта повышения теплостойкости и износостойкости NiCrBSi покрытий, полученных газопорошковой лазерной наплавкой, в результате высокотемпературного (1000-1075 град.С) отжига, формирующего в метастабильной структуре наплавленного лазером металла термически устойчивый высокопрочный «опорный каркас» из крупных карбидов и боридов хрома. Указанный эффект открывает уникальные возможности высокотемпературного использования NiCrBSi покрытий. Значимость и актуальность поиска путей дополнительного повышения термической стабильности структуры и свойств наплавленных лазером покрытий особенно возрастают в связи с бурным развитием аддитивных лазерных технологий. Выполнение проекта откроет возможности научно обоснованного управления комбинированной лазерно-термической обработкой и ее рациональное использование применительно к разнообразным условиям эксплуатации покрытий (значительный нагрев, ускоренный износ, упруго-пластическое деформирование, эрозионно-коррозионного разрушение). Установленные для NiCrBSi сплавов новые научные подходы к получению теплостойких структур каркасного типа и закономерности их поведения в различных условиях контактного нагружения могут быть востребованы и для улучшения характеристик многокомпонентных сплавов других систем легирования. Результаты проекта могут быть реализованы в ресурсосберегающих технологиях восстановления изношенных деталей и при производстве традиционными способами наплавки и аддитивными лазерными технологиями новых изделий, эксплуатируемых в условиях значительного нагрева (металлургическое, тепло- и электротехническое оборудование, штампы горячего деформирования и др.).

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты: 1. Установленные закономерности структурно-фазовых превращений при нагреве до различных температур NiCrBSi покрытий, закономерности влияния температуры отжига и скорости охлаждения на структурно-фазовое состояние NiCrBSi покрытий, сформированных лазерной наплавкой. 2. Результаты сравнительного анализа микротвердости и сопротивления упруго-пластическому деформированию при микроиндентировании NiCrBSi покрытий, до и после термических обработок. 3. Трибологические свойства (износостойкость и коэффициент трения) и механизмы изнашивания при абразивном воздействии и трении скольжения со скоростями 0,05-9,3 м/с NiCrBSi покрытий, имеющими структуру каркасного типа, сравнение с исходными (до отжига) покрытиями. 4. Результаты испытаний на кавитационную стойкость, механизмы разрушения рассматриваемых NiCrBSi покрытий после лазерной и лазерно-термической обработки. 5. Выявленная эффективность применения высокотемпературного отжига для формирования структур каркасного типа с комплексом улучшенных эксплуатационных характеристик в NiCrBSi покрытиях, сформированных лазерной наплавкой. Выполнение проекта позволит установить металлофизическую природу обнаруженного нового эффекта повышения теплостойкости и износостойкости NiCrBSi покрытий, сформированных лазерной наплавкой, после дополнительного высокотемпературного отжига, обосновать наиболее эффективные режимы указанной обработки, а также комплексно изучить формирующиеся при этом свойства NiCrBSi покрытий. Это важно для выявления областей наиболее рационального применения предложенного нового подхода к формированию особого структурного состояния в многокомпонентных металлических материалах. Применимость фундаментальных и практических результатов проекта не только к технологиям лазерной наплавки, но и к бурно развивающимся аддитивным лазерным технологиях, многократно повышает актуальность и значимость предлагаемого исследования. Практическое использование результатов проекта может быть реализовано как в ресурсосберегающих технологиях восстановления изношенных деталей и инструмента, так и при производстве новых изделий, эксплуатируемых в условиях значительного нагрева (механическое оборудование металлургического производства, теплотехническое и электротехническое оборудование, штампы горячего деформирования и др.). Полученные новые знания будут использованы автором проекта при подготовке студентов УрФУ им. Первого президента России Б.Н. Ельцина по направлению «Лазерная техника и лазерные технологии», в частности, при преподавании специальной дисциплины «Лазерные технологии модифицирования поверхности и прототипирования».


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. При использовании быстрого охлаждения в воде от температуры термообработки установлено, что нагрев NiCrBSi покрытий до температуры 800 град.С приводит лишь к незначительному изменению структуры. При дальнейшем повышении температуры термической обработки происходит значительное изменение структуры покрытий. При температуре 900-950 град.С растворяются высокопрочные бориды хрома CrB и частично растворяются бориды никеля Ni3B. Нагрев NiCrBSi покрытий, сформированных лазерной наплавкой, до 1000 град.С и выше вызывает полное диффузионное растворение частиц Ni3B. Карбиды хрома сохраняются в структуре покрытий после нагрева до 1025 град.С. 2. При скоростной кристаллизации расплава в процессе лазерной наплавки NiCrBSi покрытий формируются неравновесные структурные состояния, в которых при нагреве и последующем охлаждении активно протекают фазовые превращения, связанные с растворением и выделением фаз. Вследствие этого эффективность реализации предложенного способа получения износостойких и теплостойких NiCrBSi покрытий за счет проведения после лазерной наплавки высокотемпературного (≥1000 град.С) отжига в сильной степени определяется технологическими условиями высокотемпературной обработки, в том числе температурой нагрева и скоростью охлаждения. Для установления их влияния проведены высокотемпературные отжиги с охлаждением от разных температур (от 800 до 1075 град.С) и с различными скоростями (вода, воздух, вакуумная и муфельная печь), установлены структурно-фазовые состояния NiCrBSi покрытий после таких обработок. Последовательное замедление скорости охлаждения от 1000 град.С (по сравнению с охлаждением в воде, выполненным в п.1) при охлаждении образцов на воздухе, с муфельной печью и с вакуумной печью приводит к выделению боридов и силицидов никеля Ni3B, Ni2B, Ni3Si, Ni2Si и укрупнению наиболее твердых упрочняющих фаз CrB, Cr7C3 и Cr23C6, формирующих износостойкие структуры каркасоподобного типа. Полученная отжигом при 1050 град.С покрытия ПГ-10Н-01 «каркасоподобная» структура качественно отличается по составу от структур, формируемых в покрытии высокотемпературной обработкой при температурах 1025 град.С и 1000 град.С. По-видимому, нагрев до 1050 град.С (с подплавлением металлической основы) вызывает более полное растворение карбида хрома Сr7C3 и соответствующее насыщение твердого раствора хромом, что и приводит к выделению при охлаждении от температуры отжига соединений Cr2(B,C) и Cr2B с высоким содержанием хрома. 3. Результаты измерений микротвердости коррелируют с наличием/отсутствием в структуре покрытий упрочняющих фаз и их размером/объемной долей. Растворение упрочняющих фаз при закалке во всем диапазоне температур и после нагрева до температур 900-950 град.С с медленным охлаждением значительно снижает твердость NiCrBSi покрытий. Формирование структур каркасоподобного типа после высокотемпературного отжига с медленным охлаждением сохраняет высокую микротвердость покрытий. Термическое воздействие при температуре 800 град.С практически не влияет на микромеханические характеристики покрытий, определенные по методике Оливера и Фарра при микроиндентировании с записью диаграмм нагружения и разгружения индентора. Дальнейший нагрев до температур 900-950 град.С вызывает значительное уменьшение прочностных характеристик (твердости по Мартенсу HM и твердости вдавливания при максимальной нагрузке HIT). Нагрев до 900-950 град.С резко повышает пластическую составляющую работы по индентированию и снижает величины упругого восстановления R, а также отношений HIT/E* (удельная контактная твердость) и HIT3/E*2, что указывает на ускоренный переход при контактном нагружении покрытия к пластическому деформированию с последующим низким сопротивлением развитию пластического течения. «Каркасоподобная» структура, формируемая в NiCrBSi покрытиях высокотемпературными термическими обработками, характеризуется более высокими, чем у исходного покрытия с относительно дисперсной структурой, уровнями характеристик твердости HM и HIT, упругого восстановления R и отношения HIT3/E*2, а также минимальной пластической составляющей работы при индентировании. Это свидетельствует о повышенной способности покрытий с «каркасоподобной» структурой деформироваться в «благоприятной» упругой области, а также противостоять механическим контактным нагрузкам и после начала пластического течения. 4. Формирование структур каркасоподобного типа с крупными карбидами и боридами хрома в результате высокотемпературных отжигов (1000 град.С и выше) NiCrBSi покрытий приводит к росту износостойкости при абразивном воздействии корундом до уровней, превышающих характеристики исходных наплавленных покрытий до 1,9 раза. Максимальное повышение износостойкости (снижение интенсивности изнашивания, коэффициента трения, повышение удельной работы изнашивания) наблюдается после высокотемпературных отжигов с минимальной скоростью охлаждения (в вакуумной печи). Это связано с выделением при этом большого количества крупных упрочняющих фаз с высокой твердостью и формированием износостойкого каркаса, эффективно сопротивляющегося абразивному воздействию.

 

Публикации

1. Макаров А.В., Коробов Ю.С., Соболева Н.Н., Худорожкова Ю.В., Вопнерук А.А., Балу П., Барбоса М.М., Малыгина И.Ю., Буров С.В., Степченков А.К. Wear-resistant nickel-based laser clad coatings for high-temperature applications Letters on Materials, Vol. 9 (4), pp. 470-474 (год публикации - 2019).

2. Макаров А.В., Соболева Н.Н., Малыгина И.Ю., Харанжевский Е.В. Improving the properties of a rapidly crystallized NiCrBSi laser clad coating by high-temperature processing Journal of Crystal Growth, Vol. 525. Article 125200 (год публикации - 2019).

3. Соболева Н.Н., Макаров А.В., Малыгина И.Ю. Влияние охлаждения при высокотемпературной обработке на структуру и износостойкость NiCrBSi-покрытия, полученного лазерной наплавкой Сборник тезисов докладов XXV Уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Екатеринбург, 3-7 февраля, 2020 г., С. 160-162. (год публикации - 2020).

4. Соболева Н.Н., Макаров А.В., Малыгина И.Ю., Степченков А.К. Влияние температуры отжига на структуру и микромеханические свойства NiCrBSi-покрытия, сформированного лазерной наплавкой Сборник тезисов докладов XIV Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», 28 февраля – 6 марта 2020 г., Новосибирск-Шерегеш., С. 179. (год публикации - 2020).

5. Соболева Н.Н., Макаров А.В., Степченков А.К., Малыгина И.Ю., Коробов Ю.С. Влияние термического воздействия на микромеханические свойства хромоникелевого покрытия, полученного газопорошковой лазерной наплавкой Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты), - (год публикации - 2020).

6. Соболева Н.Н., Степченков А.К., Макаров А.В., Малыгина И.Ю. Микромеханические свойства покрытия ПГ-10Н-01, сформированного комбинированной лазерно-термической обработкой XXXI Международная инновационная конференция молодых ученых и студентов (МИКМУС -2019): Сборник трудов конференции (Москва, 4-6 декабря 2019)., С. 51-54. (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Результаты трибологических испытаний на трение скольжения со скоростями 0,2-9,3 м/с (в различных условиях фрикционного нагрева) показали, что NiCrBSi покрытия, сформированные комбинированной лазерно-термической обработкой (лазерная наплавка и высокотемпературный отжиг), во всем интервале скоростей испытания характеризуется в разы меньшими значениями интенсивности изнашивания, чем покрытия, сформированные лазерной наплавкой. Это свидетельствует о повышенной износостойкости NiCrBSi покрытий, полученных комбинированной лазерно-термической обработкой, в условиях от комнатной температуры до значительного фрикционного нагрева. Повышение износостойкости связано с формированием в процессе отжига покрытия крупных упрочняющих фаз – боридов хрома и карбидов хрома, которые ограничивают развитие процессов теплового схватывания и пластического оттеснения. Результаты испытаний на кавитационную стойкость по методу колебаний образца с ультразвуковой частотой в жидкой среде различной продолжительности показали, что комбинированная лазерно-термическая обработка приводит к снижению интенсивности разрушения NiCrBSi покрытий на начальном этапе кавитационного воздействия по сравнению с покрытиями после лазерной наплавки без отжига. Однако более продолжительное кавитационное воздействие приводит к резкому повышению скорости разрушения покрытий, сформированных комбинированной обработкой, за счет растрескивания и выкрашивания крупных упрочняющих фаз, полученных в структуре наплавленных покрытий в результате отжига.

 

Публикации

1. Макаров А., Соболева Н., Коршунов Л., Малыгина И. The frictional thermal resistance of the NiCrBSi coating obtained by the combined laser-heat treatment 23rd International Conference on Wear of Materials, 26-29 April 2021, WP1.06. Available at: http://www.wearofmaterialsconference.com/conference-program.asp. (год публикации - 2021).

2. Соболева Н.Н., Макаров А.В. Влияние условий высокотемпературной обработки на структуру и трибологические свойства наплавленного лазером покрытия на никелевой основе Известия ВУЗов. Цветная металлургия (Russian Journal of Non-Ferrous Metals)., - (год публикации - 2021).

3. Соболева Н.Н., Макаров А.В., Малыгина И.Ю. Improving the thermal stability of laser clad NiCrBSi coatings 20th International Metallurgy and Materials Congress - E-book, P. 268. (год публикации - 2021).

4. Соболева Н.Н., Степченков А.К., Макаров А.В. Влияние высокотемпературного отжига NiCrBSi покрытия на характеристики, полученные при микроиндентировании с различной выдержкой Тезисы VII Международной конференции «Лазерные, плазменные исследования и технологии», ЛАПЛАЗ-2021, С. 311-312 (год публикации - 2021).


Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть реализованы в ресурсосберегающих технологиях восстановления изношенных деталей и при производстве традиционными способами наплавки и аддитивными лазерными технологиями новых изделий, эксплуатируемых в условиях нагрева и износа (металлургическое, тепло- и электротехническое оборудование, штампы горячего деформирования и др.).