cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2021-5-67-77cvmet-1289Research ArticleМеталловедение и термическая обработкаPhysical Metallurgy and Heat TreatmentВлияние условий высокотемпературной обработки на структуру и трибологические свойства наплавленного лазером покрытия на никелевой основеInfluence of high-temperature treatment conditions on the structure and tribological properties of a nickel-based laser clad coatingСоболеваН. Н.SobolevaN. N.

Канд. техн. наук, ст. науч. сотр. лаборатории конструкционного материаловедения

620049, г. Екатеринбург, ул. Комсомольская, 34

Cand. Sci. (Eng.), senior researcher of Laboratory of constructional material science

620049, Russia, Ekaterinburg, Komsomol′skaya str., 34

natashasoboleva@list.ruМакаровА. В.MakarovA. V.

Гл. науч. сотр. лаборатории конструкционного материаловедения ИМАШ УрО РАН; докт. техн. наук, чл.-кор. РАН, зав. отделом материаловедения и лабораторией механических свойств ИФМ УрО РАН; профессор кафедры технологии сварочного производства УрФУ

620049, г. Екатеринбург, ул. Комсомольская, 34

620108, г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Chief researcher of laboratory of constructional material science Institute of Engineering Science of the UB RAS; Dr. Sci. (Eng.), corresponding member of the RAS; head of materials science department, head of mechanical properties laboratory, M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the UB RAS; professor of the Department of welding production technology, Ural Federal University

620049, Russia, Ekaterinburg, Komsomol′skaya str., 34

620108, Russia, Ekaterinburg, S. Kovalevskaya str., 18

620002, Russia, Ekaterinburg, Mira str., 19

av-mak@yandex.ruИнститут машиноведения (ИМАШ) УрО РАНРоссияInstitute of Engineering Science of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут машиноведения (ИМАШ) УрО РАН; Институт физики металлов (ИФМ) им. М.Н. Михеева УрО РАН; Уральский федеральный университет (УрФУ) им. первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияInstitute of Engineering Science of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Ural Federal UniversityRussian Federation2021281020212756777Copyright © Соболева Н.Н., Макаров А.В., 20212021Соболева Н.Н., Макаров А.В.Soboleva N.N., Makarov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1289

Лазерная наплавка, характеризующаяся минимальным тепловым воздействием на подложку, является прогрессивным способом восстановления рабочих размеров деталей, работающих в условиях износа. Покрытия системы Ni–Cr–B–Si могут использоваться в деталях, эксплуатируемых при высоких температурах. Целью работы явилось исследование влияния нагрева и условий последующего охлаждения при проведении высокотемпературной обработки на особенности формирования структурно-фазового состояния покрытия, полученного лазерной наплавкой порошка марки ПГ-СР2 (химический состав, мас.%: 14,8Сr; 2,1B; 2,9Si; 2,6Fe; 0,48С; ост. Ni), и достигаемые при этом свойства (твердость и трибологические характеристики при скольжении по закрепленному абразиву (корунду)). Образцы с наплавленным слоем подвергали нагреву при температуре 1050 °С (выдержка 1 ч) с последующим охлаждением в воде (что позволило зафиксировать структурные превращения при высокотемпературном нагреве), на воздухе, в муфельной и вакуумной печах. Показано, что скорость охлаждения при высокотемпературной обработке наплавленного лазером покрытия ПГ-СР2 оказывает значительное влияние на формируемую структуру и свойства. Высокотемпературный нагрев приводит к частичному диффузионному растворению боридов никеля (Ni3B) и карбидов хрома (Cr23C6) в твердом растворе и соответствующему снижению твердости, повышению интенсивности абразивного изнашивания и коэффициента трения. Замедление скорости охлаждения от 1050 °С при охлаждении образцов на воздухе, в муфельной и вакуумной печах приводит к выделению боридов хрома (CrB) и силицидов никеля (Ni3Si), отсутствовавших в структуре наплавленного покрытия. Высокопрочные бориды CrB с твердостью, соответствующей или даже большей твердости абразива (корунда), ограничивают развитие механизма микрорезания при абразивном изнашивании. Формируемые при медленном охлаждении в печи крупные карбиды и бориды хрома образуют износостойкие структуры каркасоподобного типа. Это приводит к росту твердости и сопротивления абразивному изнашиванию до уровней, превышающих характеристики исходного наплавленного покрытия.

Laser cladding featuring by a minimal thermal impact on the substrate is an advanced method of restoring the working dimensions of parts operated under wear conditions. Ni–Cr–B–Si system coatings can be used in parts operated at high temperatures. The research was aimed to study the influence of heating and subsequent cooling conditions during high-temperature treatment on the structural phase state formation features of the coating obtained by PG-SR2 powder laser cladding (chemical composition, wt.%: 14.8Cr; 2.1B; 2.9Si; 2.6Fe; 0.48C; the rest is Ni), and properties achieved in this process (hardness and tribological properties when sliding on the fixed corundum abrasive). Samples with the clad layer were heated at 1050 °С (holding for 1 h) with subsequent cooling in water (which made it possible to record structural transformations under high-temperature heating), in air, in a muffle furnace and in a vacuum furnace. It was shown that the cooling rate during the high-temperature treatment of the laser clad PG-SR2 coating has a significant effect on the formed structure and properties. High-temperature heating leads to a partial diffusive dissolution of Ni3B nickel borides and Cr23C6 chromium carbides in a solid solution and a corresponding decrease in hardness, an increase in abrasive wear intensity and friction coefficient. Cooling rate deceleration from 1050 °C when samples are cooled in air, muffle and vacuum furnaces leads to the release of CrB chromium borides and Ni3Si nickel silicides that were absent in the clad coating structure. High-strength CrB borides with hardness equal to or even higher than that of the corundum abrasive limit the development of the microcutting mechanism during abrasive wear. Large chromium carbides and borides formed during slow cooling in the furnace form wear-resistant frame-like structures. This leads to an increase in hardness and abrasive wear resistance to levels that exceed the features of the original clad coating.

лазерная наплавкаNiCrBSiпокрытие ПГ-СР2термическая обработкамикроструктурафазовые превращениятвердостьабразивная износостойкостьlaser claddingNiCrBSiPG-SR2 coatingheat treatmentmicrostructurephase transformationshardnessabrasive wear resistanceРабота выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант 19-79-00031). Экспериментальные исследования проведены с использованием оборудования ЦКП «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН. Авторы выражают благодарность И.Ю. Малыгиной за участие в экспериментах.The research was funded by the Russian Science Foundation (Grant 19-79-00031). Experimental studies were conducted using the «Plastometry» common use center equipment of the Institute of Engineering Science of the Ural Branch of RAS, Ekaterinburg. The authors thank I.Yu. Malygina for her participation in experiments.ReferencesКирюханцев-Корнеев Ф.В., Сытченко А.Д., Левашов E.А. Сравнительное исследование электроискровых покрытий, полученных с использованием электродов TiC—NiCr и TiC—NiCr—Eu2O3. Известия вузов. Цветная металлургия. 2019. No. 5. С. 67—78. DOI: 10.17073/0021-3438-2019-5-67-78.Kiryukhantsev-Korneev F.V., Sytchenko A.D., Levashov E.A. Comparative study of coatings formed by electrospark alloying using TiC—NiCr and TiC—NiCr—Eu2O3 electrodes. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2019. Vol. 60. P. 1—11. DOI: 10.3103/S1067821219060099.Бирюков В.П., Базлова Т.А. Экспериментальное и расчетное определения коэффициента износостойкости покрытий с добавками нанодисперсных частиц карбидов при лазерной наплавке. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2020. No. 2. С. 73—80. DOI: 10.17073/1997-308X-20202-73-80.Biryukov V.P., Bazlova T.A. Experimental and computational determination of the wear resistant coefficient for coatings with nanodispersed carbide particles added by laser surfacing. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2020. Vol. 61. P. 739—744. DOI: 10.3103/S1067821220060048.Pugacheva N.B., Bykova T.M., Trushina E.B., Malygina I.Yu. The structural state and properties of a deposited coating for an internal combustion engine valve. Diagn., Res. Mech. Mater. Struct. 2018. Iss. 5. P. 74—85. DOI: 10.17804/2410-9908.2018.5.074-085.Pugacheva N.B., Bykova T.M., Trushina E.B., Malygina I.Yu. The structural state and properties of a deposited coating for an internal combustion engine valve. Diagn., Res. Mech. Mater. Struct. 2018. Iss. 5. P. 74—85. DOI: 10.17804/2410-9908.2018.5.074-085.Biryukov V.P. Wear of a laser-surfaced steel shaft and a slip-bearing bush. Russ. Eng. Res. 2015. Vol. 35. P. 249— 252. DOI: 10.3103/S1068798X15040073.Biryukov V.P. Wear of a laser-surfaced steel shaft and a slip-bearing bush. Russ. Eng. Res. 2015. Vol. 35. P. 249— 252. DOI: 10.3103/S1068798X15040073.Gao W., Chang C., Li G., Xue Y., Wang J., Zhang Z., Lin X. Study on the laser cladding of FeCrNi coating. Optik. 2019. Vol. 178. P. 950—957. DOI: 10.1016/j.ijleo.2018.10.062.Gao W., Chang C., Li G., Xue Y., Wang J., Zhang Z., Lin X. Study on the laser cladding of FeCrNi coating. Optik. 2019. Vol. 178. P. 950—957. DOI: 10.1016/j.ijleo.2018.10.062.Frazier W.E. Metal additive manufacturing: A review. J. Mater. Eng. Perform. 2014. Vol. 23. P. 1917—1928. DOI: 10.1007/s11665-014-0958-z.Frazier W.E. Metal additive manufacturing: A review. J. Mater. Eng. Perform. 2014. Vol. 23. P. 1917—1928. DOI: 10.1007/s11665-014-0958-z.Muvvala G., Patra Karmakar D., Nath A.K. Online monitoring of thermo-cycles and its correlation with microstructure in laser cladding of nickel based super alloy. Optics Laser Techn. 2017. Vol. 88. P. 139—152. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2016.08.005.Muvvala G., Patra Karmakar D., Nath A.K. Online monitoring of thermo-cycles and its correlation with microstructure in laser cladding of nickel based super alloy. Optics Laser Techn. 2017. Vol. 88. P. 139—152. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2016.08.005.Логинова И.С., Быковский Д.П., Солонин А.Н., Просвиряков А.С., Чеверикин В.В., Поздняков А.В., Петровский В.Н. Особенности микроструктуры и свойств изделий, получаемых методом прямого лазерного наплавления порошка стали 316L. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2017. No. 4. С. 44—52. DOI: 10.17073/1997-308X-20174-44-52.Loginova I.S., Bykovskiy D.P., Solonin A.N., Prosviryakov A.S., Cheverikin V.V., Pozdniakov A.V., Petrovskiy V.N. Peculiarities of the microstructure and properties of parts produced by the direct laser deposition of 316L steel powder. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2019. Vol. 60. P. 87—94. DOI: 10.3103/S1067821219010085.Gómez-del Río T., Garrido M.A., Fernádez J.E., Cadenas M., Rodríguez J. Influence of the deposition techniques on the mechanical properties and microstructure of NiCrBSi coatings. J. Mater. Proces. Technol. 2008. Vol. 204. P. 304—312. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.11.042.Gómez-del Río T., Garrido M.A., Fernádez J.E., Cadenas M., Rodríguez J. Influence of the deposition techniques on the mechanical properties and microstructure of NiCrBSi coatings. J. Mater. Proces. Technol. 2008. Vol. 204. P. 304—312. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.11.042.Fernández E., Cadenas M., González R., Navas C., Fernández R., Damborenea J.D. Wear behavior of laser clad NiCrBSi coating. Wear. 2005. Vol. 259. P. 870—875. DOI: 10.1016/j.wear.2005.02.063.Fernández E., Cadenas M., González R., Navas C., Fernández R., Damborenea J.D. Wear behavior of laser clad NiCrBSi coating. Wear. 2005. Vol. 259. P. 870—875. DOI: 10.1016/j.wear.2005.02.063.Прибытков Г.А., Фирсина И.А., Коржова В.В., Криницын М.Г., Полянская А.А. Синтез композиционных порошков «TiC — связка из сплава NiCrBSi» для наплавки и напыления износостойких покрытий. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2018. No. 2. С. 43—53. DOI: 10.17073/1997-308X-2018-2-43-53.Pribytkov G.A., Firsina I.A., Korzhova V.V., Krinitcyn M.G, Polyanskaya A.A. Synthesis of TiC—NiCrBSi binder alloy composite powders for cladding and deposition of wear-resistant coatings. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2019. Vol. 60. P. 282—2894. DOI: 10.3103/S1067821219030118.Chen L., Wang H., Zhao C., Lu S., Wang Z., Sha J., Chen S., Zhang L. Automatic remelting and enhanced mechanical performance of a plasma sprayed NiCrBSi coating. Surf. Coat. Technol. 2019. Vol. 369. P. 31—43. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.04.052.Chen L., Wang H., Zhao C., Lu S., Wang Z., Sha J., Chen S., Zhang L. Automatic remelting and enhanced mechanical performance of a plasma sprayed NiCrBSi coating. Surf. Coat. Technol. 2019. Vol. 369. P. 31—43. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.04.052.Li Q., Zhang D., Lei T., Chen C., Chen W. Comparison of laser-clad and furnace-melted Ni-based alloy microstructures. Surf. Coat. Technol. 2001. Vol. 137. P. 122—135. DOI: 10.1016/S0257-8972(00)00732-5.Li Q., Zhang D., Lei T., Chen C., Chen W. Comparison of laser-clad and furnace-melted Ni-based alloy microstructures. Surf. Coat. Technol. 2001. Vol. 137. P. 122—135. DOI: 10.1016/S0257-8972(00)00732-5.Islak S., Ulutan M., Buytoz S. Microstructure and wear properties of hot-pressed NiCrBSi/TiC composite materials. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2020. Vol. 61. P. 571—582. DOI: 10.3103/S1067821220050053.Islak S., Ulutan M., Buytoz S. Microstructure and wear properties of hot-pressed NiCrBSi/TiC composite materials. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2020. Vol. 61. P. 571—582. DOI: 10.3103/S1067821220050053.Navas С., Colaco R., Damborenea J., Vilar R. Abrasive wear behavior of laser clad and flame sprayed—melted NiCrBSi coatings. Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 200. P. 6854— 6862. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2005.10.032.Navas С., Colaco R., Damborenea J., Vilar R. Abrasive wear behavior of laser clad and flame sprayed—melted NiCrBSi coatings. Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 200. P. 6854— 6862. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2005.10.032.González R., Cadenas M., Fernández R., Cortizo J.L., Rodríguez E. Wear behaviour of flame sprayed NiCrBSi coating remelted by flame or by laser. Wear. 2007. Vol. 262. P. 301—307. DOI: 10.1016/j.wear.2006.05.009.González R., Cadenas M., Fernández R., Cortizo J.L., Rodríguez E. Wear behaviour of flame sprayed NiCrBSi coating remelted by flame or by laser. Wear. 2007. Vol. 262. P. 301—307. DOI: 10.1016/j.wear.2006.05.009.Guo Ch., Zhou J., Chen J., Zhao J., Yu Y., Zhou H. High temperature wear resistance of laser cladding NiCrBSi and NiCrBSi/WC—Ni composite coatings. Wear. 2011. Vol. 270. P. 492—498. DOI: 10.1016/j.wear.2011.01.003.Guo Ch., Zhou J., Chen J., Zhao J., Yu Y., Zhou H. High temperature wear resistance of laser cladding NiCrBSi and NiCrBSi/WC—Ni composite coatings. Wear. 2011. Vol. 270. P. 492—498. DOI: 10.1016/j.wear.2011.01.003.Макаров А.В., Соболева Н.Н., Малыгина И.Ю., Осинцева А.Л. Формирование износостойкого хромоникелевого покрытия с особо высоким уровнем теплостойкости комбинированной лазерно-термической обработкой. Металловедение и терм. обраб. металлов. 2015. No. 3. С. 39—46.Makarov A.V., Soboleva N.N., Malygina I.Yu., Osintseva A.L. Formation of wear-resistant chromium-nickel coating with extra high thermal stability by combined laser-and-heat treatment. Met. Sci. Heat Treat. 2015. Vol. 57. P. 161—168. DOI: 10.1007/s11041-015-9856-8.Makarov A.V., Soboleva N.N., Malygina I.Yu., Kharanzhevskiy E.V. Improving the properties of a rapidly crystallized NiCrBSi laser clad coating by high-temperature processing. J. Crys. Growth. 2019. Vol. 525. Art. 125200. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2019.125200.Makarov A.V., Soboleva N.N., Malygina I.Yu., Kharanzhevskiy E.V. Improving the properties of a rapidly crystallized NiCrBSi laser clad coating by high-temperature processing. J. Crys. Growth. 2019. Vol. 525. Art. 125200. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2019.125200.Savrai R.A., Makarov A.V., Soboleva N.N., Malygina I.Yu., Osintseva A.L. The behavior of gas powder laser clad NiCrBSi coatings under contact loading. J. Mater. Eng. Perform. 2016. Vol. 25. P. 1068—1075. DOI: 10.1007/s11665-016-1925-7.Savrai R.A., Makarov A.V., Soboleva N.N., Malygina I.Yu., Osintseva A.L. The behavior of gas powder laser clad NiCrBSi coatings under contact loading. J. Mater. Eng. Perform. 2016. Vol. 25. P. 1068—1075. DOI: 10.1007/s11665-016-1925-7.Макаров А.В., Соболева Н.Н., Малыгина И.Ю. Роль упрочняющих фаз в сопротивлении абразивному изнашиванию NiCrBSi покрытий, сформированных лазерной наплавкой. Трение и износ. 2017. No. 38. С. 311—318.Makarov A.V., Soboleva N.N., Malygina I.Yu. Role of the strengthening phases in abrasive wear resistance of laser-clad NiCrBSi coatings. J. Frict. Wear. 2017. Vol. 38. P. 272—278. DOI: 10.3103/S1068366617040080.Lebaili S., Durand-Charre M., Hamar-Thibault S. The metallurgical structure of as-solidified Ni—Cr—B— Si—C hardfacing alloys. J. Mater. Sci. 1988. Vol. 23. P. 3603—3611. DOI: 10.1007/BF00540502.Lebaili S., Durand-Charre M., Hamar-Thibault S. The metallurgical structure of as-solidified Ni—Cr—B— Si—C hardfacing alloys. J. Mater. Sci. 1988. Vol. 23. P. 3603—3611. DOI: 10.1007/BF00540502.Kim H.-J., Hwang S.-Y., Lee C.-H., Juvanon P. Assessment of wear performance of flame sprayed and fused Ni-based coatings. Surf. Coat. Technol. 2003. Vol. 172. P. 262—269. DOI: 10.1016/S0257-8972(03)00348-7.Kim H.-J., Hwang S.-Y., Lee C.-H., Juvanon P. Assessment of wear performance of flame sprayed and fused Ni-based coatings. Surf. Coat. Technol. 2003. Vol. 172. P. 262—269. DOI: 10.1016/S0257-8972(03)00348-7.Gorunov A.I., Gilmutdinov A.Kh. Study of the effect of heat treatment on the structure and properties of the specimens obtained by the method of direct metal deposition. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016. Vol. 86. P. 2567—2574. DOI: 10.1007/s00170-016-8405-y.Gorunov A.I., Gilmutdinov A.Kh. Study of the effect of heat treatment on the structure and properties of the specimens obtained by the method of direct metal deposition. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016. Vol. 86. P. 2567—2574. DOI: 10.1007/s00170-016-8405-y.Khruschov M.M. Principles of abrasive wear. Wear. 1974. Vol. 28. P. 69—88. DOI: 10.1016/0043-1648(74)90102-1.Khruschov M.M. Principles of abrasive wear. Wear. 1974. Vol. 28. P. 69—88. DOI: 10.1016/0043-1648(74)90102-1.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.