КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 22-79-00189
НазваниеИсследование композиционных покрытий на основе высокоэнтропийных сплавов, упрочненных тугоплавкими частицами
РуководительРуктуев Алексей Александрович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет", Новосибирская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 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 словаВысокоэнтропийные сплавы, электронно-лучевая наплавка, карбиды, бориды, упрочнение, жаростойкость, износостойкость, фазовый состав, термическая обработка
Код ГРНТИ81.09.03
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Интенсивный износ изделий, работающих в условиях трения, повышенных температур и агрессивной среды является одной из проблем машиностроения. При этом разрушение деталей, как правило, начинается с поверхностных слоев, в которых возникает максимальная концентрация напряжений. Для обеспечения долговременной работы материалы, эксплуатирующиеся в подобных условиях, должны обладать высокой износостойкостью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью, а также вязкостью разрушения. Традиционно применяемые материалы на основе металлических сплавов, керамик или интерметаллидов не всегда могут обеспечить необходимый уровень эксплуатационных свойств. В последние 15 лет активно исследуется новых подход, основанный на сплавлении нескольких элементов с концентрацией каждого 5 – 35 %. Такие материалы, за счет высокой конфигурационной энтропии, получили название высокоэнтропийных сплавов. Подобный подход приводит к практически безграничному количеству возможных композиций сплавов. Активное исследование высокоэнтропийных сплавов, проводимые в последние десятилетия позволяют рассматривать их как перспективные конструкционные материалы. Одним из актуальных подходов к повышению экономической эффективности применения дорогостоящих материалов с высоким комплексом свойств является применение их в качестве защитных слоев на более дешевых конструкционных материалах. Дополнительно повысить ресурс изделий работающих в условиях трения возможно за счет создания композиционных структур содержащих твердые частицы карбидов и боридов. В целом данный подход является известным и широко применимым. В данном проекте для формирования защитных композиционных слоев предполагается использовать уникальную установку позволяющую выпускать пучок релятивистских электронов в воздушную атмосферу. Высокие температуры, возникающие при обработке, а также высокие скорости нагрева и охлаждения характерные для данной технологии приводят к формированию неравновесных структур. С другой стороны для высокоэнтропийных сплавов характерны такие особенности, как замедленная скорость диффузии, подавление образования химических соединений и интерметаллидов, повышенная температура рекристаллизации. Отмеченные особенности приводят к тому, что актуальной задачей является детальное изучение влияния вводимых в состав покрытий тугоплавких частиц на формирование микроструктуры и фазового состава защитных слоев, как при наплавке, так и при воздействии высоких температур. Для проведения работ будет применяться широкий набор методов исследования микроструктуры и фазового состава. Также будут определены механические и эксплуатационные свойства наплавленных слоев.
Ожидаемые результаты
Настоящий проект будет одним из первых в мире, в котором будут получены композиционные покрытия на основе высокоэнтропийных сплавов методом обработки порошковых смесей пучком релятивистских электронов в воздушной атмосфере. Планируемые в проекте исследовательские работы позволят получить данные о структурных и фазовых особенностях, механических и эксплуатационных свойствах композиционных покрытий на основе высокоэнтропийных сплавов. В процессе выполнения проекта будут подробно изучены закономерности формирования структуры покрытий в процессе вневакуумной электронно-лучевой наплавки, особенности фазовых превращений покрытий, происходящих в процессе нагрева и выдержки при повышенных температурах. Будет оценено влияние введения тугоплавких частиц на структуру покрытий состава CoCrFeMnNi , формируемых методом электронно-лучевой наплавки, на их стабильность и эксплуатационные свойства. Будут определены рациональные составы и режимы технологии наплавки. Полученные результаты расширят фундаментальные знания в области исследования ВЭС и покрытий на их основе, а также поспособствуют развитию технологий разработки жаростойких и износостойких покрытий из новых сплавов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В текущем, отчетном году, в ходе выполнения проекта были проведены технологические эксперименты по формированию методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки покрытий, упрочненных тугоплавкими частицами различных типов. В качестве упрочняющих частиц были опробованы следующие типы соединений: TiC, B4C, аморфный бор, Cr3C2, Mo2B5, VB2, CrB, NbC. На основании предварительного анализа материалов с покрытиями для проведения детальных исследований были выбраны порошки Cr3C2, NbC и CrB. С их использованием были сформированы покрытия из наплавочных смесей с различным соотношением металлических порошков CoCrNiMn к порошкам упрочняющих частиц по массе (95:5; 90:10, 80:20, 70:30, 50:50).
Структура и фазовый состав полученных покрытий были исследованы с использованием методов оптической и растровой электронной микроскопии, а также рентгенофазового анализа. Установлено, что покрытия, полученные с 5 % и 10 % Cr3C2, 5 % NbC, а также 5 % CrB имеют доэвтектическую структуру, состоящую из матричного твердого раствора и эвтектических карбидов и боридов в междендритном пространстве. Превышение отмеченных концентраций упрочняющих частиц в наплавочной смеси приводит к формированию покрытий с заэвтектической структурой. Во всех исследуемых покрытиях зафиксировано образование ГЦК твердого раствора. В покрытиях, полученных с порошком Cr3C2, основной упрочняющей фазой являются карбиды типа Ме7С3. Введение в наплавочную смесь карбида ниобия привело к формированию в структуре покрытия кристаллов NbC c ГЦК кристаллической решеткой. Введение 5 % и 10 % CrB приводит к формированию боридов типа (Cr,Mn,Fe)2B. Увеличение количества CrB в наплавочной смеси до 20 % и более привело к формированию в структуре первичных боридов типа CrB и (Cr,Mn,Fe)2B, а также эвтектических боридов состава (Ni,Co,Mn)2B.
Отмеченные структурно-фазовые изменения привели к изменению физико-механических свойств покрытий. Была установлена прямая зависимость между значениями микротвердости, и количеством упрочняющих частиц в составе наплавочной смеси. При добавке частиц карбида хрома в количестве 5 %, микротвердость покрытия составила 232 ±8 HV, а при 50 % упрочняющих частиц достигнуто значение в 1071±114 HV. В покрытиях, содержащих частицы NbC, максимальное значение микротвердости составило 600±150 HV при введении 30 % NbC. Повышение доли CrB в порошковой смеси с 0 до 30 % способствует повышению среднего значения микротвердости покрытий с 192 HV до 1141 HV.
При испытании исследуемых покрытий на износостойкость по схеме «шар-плоскость» был зафиксирован адгезионный механизм износа. Проведенные испытания позволили установить, что введение в наплавочную смесь 10 % Cr3C2 привело к повышению износостойкости в 1,92 раза. При введении 50 % Cr3C2 износостойкость выросла в 16,65 раза по сравнению с покрытием без упрочняющих частиц. В случае введения в наплавочную смесь частиц CrB, минимальная концентрация, обеспечившая повышение износостойкости составила 20 %. Введение 30 % CrB позволило повысить износостойкость в 6,02 раз.
По результатам испытаний на стойкость к окислению установлено, что введение в наплавочную смесь частиц Cr3C2 позволило повысить жаростойкость покрытий. Прирост массы эталонного образца (покрытия без упрочняющих частиц) за время испытаний составил 26 г/м2. Наименьший прирост массы (8,25 г/м2) зафиксирован для покрытия, полученного с 50 % Cr3C2. В случае введения в наплавочную смесь порошка NbC рост жаростойкости обнаружен только при введении 5 %. Прирост массы по результатам 100 часов выдержки составил 6,63 г/м2. Введение в наплавочную смесь порошка CrB привело к снижению жаростойкости формируемых покрытий.
На основании проведенных исследований для проведения работ по выявлению влияния термической обработки на структуру и свойства наплавленных слоев отобраны следующие составы наплавочных смесей: CoCrNiMn:Cr3C2 70:30; CoCrNiMn:NbC 95:5; CoCrNiMn:CrB 80:20.
Публикации
1. Руктуев А.А., Юригн А.Б., Шикалов В.С., Ухина А.В., Чакин И.К., Домаров Е.В., Довженко Г.Д. Структура и свойства композиционного покрытия на основе высокоэнтропийного сплава, упрочненного частицами CrB Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты), Т. 25, № 3, С. 87–103. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17212/1994-6309-2023-25.3-87-103