Статьи автора

Подбор оптимального состава плазменного покрытия системы Ni‒B‒Si методами CALPHAD

Номер выпуска 2 от 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

Подбор оптимального состава покрытия AlTiZrVNB при помощи CALPHAD подходов

Номер выпуска 2 от 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.

3 0