Влияние условий высокотемпературной обработки на структуру и трибологические свойства наплавленного лазером покрытия на никелевой основе

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.

1. Кирюханцев-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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. Khruschov M.M. Principles of abrasive wear. Wear. 1974. Vol. 28. P. 69—88. DOI: 10.1016/0043-1648(74)90102-1.