Hardfacing of multicomponent alloys containing refractory metals

Issue number 1 from 01.01.2024

В работе рассматривается возможность нанесения покрытия Al–Zr–V–Nb в виде порошка с фракцией 0.063 мм и влажностью 0.33%, измеренной с использованием прибора AND MX-50, на подложку из стали 08Х18Н10. Наплавление проводилось при использовании лазерного комплекса в составе источника лазерного излучения ЛС-5 и робота KUKA KR-60 hа в защитной атмосфере аргона. Продувку газом осуществляли перед процессом наплавления 0.3 с и после 1 с. Для надежного скрепления порошка-покрытия (Al–Zr–V–Nb) с поверхностью материала-основы (сталь 08Х18Н10) перед наплавлением на сталь была нанесена смесь порошка с поливиниловым спиртом. Согласно данным, полученным на сканирующем электронном микроскопе Carl Zeiss EVO 40, оптимальный режим наплавления порошка Al–Zr–V–Nb на материал основы соответствует мощности в 250 Вт при скорости обработки 0.5 м/с и толщине покрытия 0.6 мм. При более низкой мощности 230 Вт покрытие не может качественно расплавиться, и в связи с этим, происходит недостаточное проплавление металла основы металлом покрытия (адгезия), вследствие чего наблюдается частичное отслоение. Если же увеличить мощность до в 270 Вт, то металл основы и подложки так же отлично взаимодействуют друг с другом и создают прочный монослой покрытия, как и при оптимальном режиме, но при охлаждении, из-за значительной разницы в скоростях охлаждения (пластинка стали 08Х18Н10 не успевает охлаждаться со скоростью материала покрытия), происходит растрескивание и появление микротрещин. Таким образом, возникает необходимость дальнейшего увеличения числа проходов или же дополнительного оплавления для создания надежного покрытия с отсутствием несплошностей и островков. При этом замеры микротвердости по Виккерсу (HV) при наплавке покрытия Al–Zr–V–Nb показали повышение значений более чем в два раза по сравнению с материалом-основой, что является достаточным основанием для использования порошка Al–Zr–V–Nb в качестве упрочняющего покрытия для стали 08Х18Н10.

54 0

Development of laser felling modes of gas-thermal coating

Issue number 4 from 01.04.2024

Применение меди и ее сплавов для создания деталей металлургического оборудования сопряжено с увеличением абразивного износа и высокотемпературной коррозии. В связи с этим возникает необходимость нанесения защитного покрытия. В частности, для предотвращения износа и преждевременного выкрашивания металла медных фурм производят упрочнение поверхности покрытием из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия методом газотермического напыления в атмосфере воздуха. Из- за разницы коэффициента термического расширения меди (при T = 300 К: 16.7 мкм/м ^оС и при T = 750 К: 19.7 мкм/м ^оС и ее низкой стойкости против газовой коррозии нанесение оксида циркония (производится по предварительно нанесенному промежуточному слою, играющему согласующую по коэффициенту термического расширения (КТР) роль между медной основой и керамическим покрытием. Кроме того, промежуточный слой защищает медь от газовой коррозии. При этом в качестве промежуточных слоев используются сплавы на основе никеля. Использование никеля в качестве основы промежуточных слоев обусловлено тем, что медь и никель образуют непрерывный ряд твердых растворов, таких как мельхиор или монель-металлподобные структуры. Это, в свою очередь, предполагает плавный переход теплофизических свойств от меди к никелевому сплаву. Для обеспечения повышенной адгезии переходного слоя с медью за счет увеличения площади взаимного контакта между медью и подслоем (кинжальное проплавление) и существенного повышения однородности материала промежуточного слоя из никелевого сплава применялось лазерное оплавление промежуточного подслоя (система Ni—B—Si) на лазерном комплексе на основе лазера ЛС-5 мощностью 5 кВт с роботом KUKA KR-60HA в атмосфере аргона. Для отработки режимов были проведены эксперименты на медных образцах плоской формы и тела вращения. Оптимальными параметрами процесса оплавления плоских образцов являлись: скорость обработки 33 мм/с, мощность от 400 до 3900 Вт, фокусное расстояние от 200 до 230 мм, шаг между треками: 0.25, 0.5 и 1 мм. Оптимальными параметрами процесса являлись: мощность лазерного излучения 400—450 Вт, шаг обработки 0.125; 0.5, фокусное расстояние от 200 до 210 мм.

55 0

Estimation of mixing enthalpy of the liquid Sn-Ag-Cu system at 1423 K from data on the properties of binary subsystems using geometric models of solutions

Issue number 5 from 01.05.2024

В статье рассматривается оценка энтальпии смешения ΔН_mix расплавов тройной системы Sn-Ag-Cu при температуре 1423 К по полученным нами ранее калориметрическим данным о тепловых эффектах смешения бинарных подсистем Ag-Cu, Ag-Sn и Cu-Sn. Для выполнения оценки ΔН_mix были привлечены геометрические модели Toop’а, Kohler’а и Muggianu, в каждой из которых бинарные данные совместно обрабатываются по определенной математической процедуре. Результаты расчетов по указанным моделям представлены концентрационными зависимостями ΔН_mix тройной системы в форме 3D поверхностей, проекций этих поверхностей на плоскость концентрационного треугольника, а также изотерм, построенных для отдельных квазибинарных сечений. Обнаружено, что моделирование по Kohler’у и Muggianu дает незначительно различающиеся результаты, тогда как в модели Toop’а величины теплоты смешения тройных составов заметно сдвинуты в отрицательную (экзотермическую) область. Из научной литературы известно, что правильный выбор геометрической модели зависит от принадлежности изучаемой тройной системы к «симметричному» или «асимметричному» типу. Форма имеющихся изотерм ΔН_mix бинарных подсистем указывает на то, что система Sn-Ag-Cu является «асимметричной». Результаты, полученные с помощью модели Toop’а, признаны наиболее корректными, как как именно эта модель рекомендуется в литературе для описания «асимметричных» систем. Отмечены общая ограниченность всех геометрических моделей, учитывающих только двойные межчастичные взаимодействия, и целесообразность дополнительных экспериментальных исследований образования трехкомпонентных расплавов для выявления возможного вклада тройных взаимодействий в энтальпию смешения.

54 0

Selection of the optimal composition of plasma coating of the Ni‒B‒Si system by the CALPHAD methods

Issue number 2 from 29.12.2025

Медь и ее сплавы широко применяются в деталях металлургического оборудования. Из‒за высокой теплоемкости и отражающей способности излучения ИК‒диапазона, детали из меди нашли применение в водоохлаждаемых элементах доменных печей, например, в фурмах, повергающихся активному газо‒абразивному, эрозионному и другим видам износа и газовой коррозии. Медь и ее сплавы имеют низкую стойкость против износа и коррозии. Для увеличения стойкости медных деталей предлагаются термобарьерные покрытия путем последовательного нанесения систем Ni–B–Si, Ni–Cr–Al‒Y и ZrO₂. Однако, первые слои покрытия имеют низкую адгезию, и как следствие, низкую прочность первого и последующих слоев. Лазерное переплавление решает проблему адгезии первого слоя к меди и остальных слоев к оплавленному слою. Используя методы CALPHAD в программном пакете TermoCalc (номер версии программного обеспечения 2024.1.132110‒55) проведено моделирование влияния оплавления на свойства защитного покрытия системы Ni–B–Si. В качестве базового был выбран состав: Ni – 86.97 ат.%, B – 6.93 ат.%, Si – 6.1 ат.%. При воздействии лазерного излучения на покрытие, нанесенное газотермическим методом, наблюдается активное взаимодействие компонентов покрытия с медью с образованием сплошного слоя, содержащего в себе новые фазы и химические элементы. Появление некоторых из этих фаз изредка приводит к растрескиванию вследствие образования медно‒никелевого сплава (монель‒металла), обладающего относительно невысокой пластичностью. С использованием данных рентгенофазового анализа подтверждено, что в процессе оплавления происходит активное перемешивание компонентов покрытия (Ni–B–Si) с компонентами подложки (Cu) с образованием устойчивого соединения Cu с Ni. В связи с этим, при помощи математического моделирования, спрогнозированы изменения плотности и методом Шейла определены скорости кристаллизации, а также фазы, образующиеся при охлаждении в покрытии, а именно: Ni_86.97B_6.93Si_6.1, Ni_84.47Cu_2.5B_6.93Si_6.1, Ni_81.97Cu₅B_6.93Si_6.1, Ni_76.97Cu₁₀B_6.93Si_6.1, Ni_71.97Cu₁₅B_6.93Si_6.1, Ni_66.97Cu₂₀B_6.93Si_6.1. С помощью расчетных методов, исходя из положений термодинамики, описан процесс лазерного оплавления при нагреве от 1750 К до 3000 К и последующем охлаждении от 1750 К до 500 К. При исследовании процесса оплавления, для всех составов определено, что благоприятным для формирования покрытия хорошего качества является содержание меди в покрытии порядка 15–20 ат.%, так как при этих концентрациях происходит наиболее полное высвобождение атомов меди с границ зерен, их переход в приповерхностные слои покрытия и связывание их с никелем в устойчивые соединения типа монель‒металл.

2 0

Selection of the optimal composition of AlTiZrVNb coating using CALPHAD approaches

Issue number 2 from 29.12.2025

С развитием научно‒технологического прогресса изменились требования, предъявляемые к надёжности (повышению срока службы) узлов и деталей конструкций. Элементы машин, сделанные из высокоуглеродистой марганцевой стали, подвергаются износу, что может приводить к повышению затрат. Широко известно, что значительному износу подвержены конструкции, состоящие из стали 76, ГОСТ 51045‒97. С помощью модификации поверхностного слоя с применением лазерной наплавки и последующего оплавления появляется возможность, путем активного перемешивания и скоростного затвердевания, происходящего при оплавлении, не только гомогенизировать структуру, но и реализовывать процессы закалки приповерхностных слоев наиболее нагруженных (уязвимых) зон. Используя методы CALPHAD в программном пакете TermoCalc (номер версии программного обеспечения 2024.1.132110‒55) было проведено моделирование влияния нанесённого защитного покрытия (AlTiZrVNb) с последующим оплавлением, на изменение фазового состава и распределение элементов на внешнем кристаллическом слое основы. Для проведения расчетов был выбран сплав состава Al_31.17Ti_18.55Zr_1.56V_27.53Nb_21.19. При воздействии лазерного излучения на наплавленное покрытие, наблюдается активное взаимодействие компонентов покрытия с основным металлом (железом), вследствие чего образуется модифицированный верхний слой, содержащий в себе новые фазы с железом в составе. В связи с этим, при помощи математического моделирования, методом Шейла определены скорости кристаллизации и фазы, образующиеся при охлаждении в сплавах находящихся в части верхнего строения пути после процесса оплавления: Al_31.17Ti_18.55Zr_1.56V_27.53Nb_21.19, Al_29.61Ti_17.62Zr_1.48V_26.15Nb_20.13Fe_5.00, Al_28.05Ti_16.70Zr_1.40V_24.78Nb_19.07Fe_10.00, Al_26.49Ti_15.77Zr_1.33V_23.40Nb_18.01Fe_15.00, Al_24.94Ti_14.84Zr_1.25V_22.02Nb_16.95Fe_20.00, Al_23.38Ti_13.91Zr_1.17V_20.65Nb_15.89Fe_25.00, Al_21.82Ti_12.99Zr_1.09V_19.27Nb_14.83Fe_30.00, Al_20.26Ti_12.06Zr_1.01V_17.89Nb_13.77Fe_35.00, Al_24.94Ti_14.84Zr_1.25V_22.02Nb_16.95Fe_40.00, Al_15.59Ti_9.28Zr_0.78V_13.77Nb_10.60Fe_50.00, Al_15.59Ti_9.28Zr_0.78V_13.77Nb_10.60Fe_60.00. С помощью расчетных методов описан процесс кристаллизации полученных составов от 1600 до 500 °С. При исследовании процесса затвердевания, для всех составов определено, что благоприятным для формирования покрытия хорошего качества является содержание железа в покрытии порядка 10–25 ат.%, так как при этих концентрациях материал находится в однофазной области.

4 0