Подбор оптимального состава покрытия AlTiZrVNB при помощи CALPHAD подходов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

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 Al31.17Ti18.55Zr1.56V27.53Nb21.19. 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: Al31.17Ti18.55Zr1.56V27.53Nb21.19, Al29.61Ti17.62Zr1.48V26.15Nb20.13Fe5.00, Al28.05Ti16.70Zr1.40V24.78Nb19.07Fe10.00, Al26.49Ti15.77Zr1.33V23.40Nb18.01Fe15.00, Al24.94Ti14.84Zr1.25V22.02Nb16.95Fe20.00, Al23.38Ti13.91Zr1.17V20.65Nb15.89Fe25.00, Al21.82Ti12.99Zr1.09V19.27Nb14.83Fe30.00, Al20.26Ti12.06Zr1.01V17.89Nb13.77Fe35.00, Al24.94Ti14.84Zr1.25V22.02Nb16.95Fe40.00, Al15.59Ti9.28Zr0.78V13.77Nb10.60Fe50.00, Al15.59Ti9.28Zr0.78V13.77Nb10.60Fe60.00. 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.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

М. В. Киселев

Уральский Федеральный Университет имени первого президента России Б.Н. Ельцина

Email: terekhovaalisia@yandex.ru
Россия, ул. Мира 32, 620002, Екатеринбург

А. А. Терехова

Уральский Федеральный Университет имени первого президента России Б.Н. Ельцина

Автор, ответственный за переписку.
Email: terekhovaalisia@yandex.ru
Россия, ул. Мира 32, 620002, Екатеринбург

И. С. Бахтеев

Уральский Федеральный Университет имени первого президента России Б.Н. Ельцина

Email: terekhovaalisia@yandex.ru
Россия, ул. Мира 32, 620002, Екатеринбург

К. С. Литвинюк

Южно‒Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)

Email: terekhovaalisia@yandex.ru
Россия, 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76

К. И. Олейник

Уральский Федеральный Университет имени первого президента России Б.Н. Ельцина; Институт металлургии УрО РАН

Email: 1007o1007@gmail.com
Россия, ул. Мира 32, 620002, Екатеринбург; ул. Амундсена, 101, Екатеринбург

Список литературы

  1. Ranjan R. Protection from corrosion and wear by different weld cladding techniques / Ranjan R., Das A.K // Materials Today: Proceedings. 2022. 57 (4). P. 1687–1693.
  2. Олейник К.И., Бахтеев И.С., Русских А.С., Осинкина Т.В., Жилина Е.М. Наплавление многокомпонентных сплавов, содержащих тугоплавкие металлы // Расплавы. 2024. №1. С. 90–100.
  3. Jindal, Chamkaur & Sidhu, Buta & Kumar, Pardeep & Sidhu, Hazoor. Performance of hardfaced/heat treated materials under solid particle erosion: A systematic literature review // Materials Today: Proceedings. 2022. 50. №5. 2022. P. 629–639.
  4. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Теоретические основы лазерной обработки: монография / ред. Григорьянц А.Г. М.: Изд‒во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2022.
  5. Девойно О.Г., Туричин Г.А., Кардаполова М.А., Касач Ю.И., Погудо Е.В., Косякова И.М. Триботехнические характеристики композиционных покрытий на никелевой основе, полученных гибридными технологиями // Наука и техника. 2023. 22. №6. 450–459.
  6. Devoino O.G., Kardapolova M.A., Kalinichenko A.S., Zharskii V.V., Vasilenko A.G. Technology of Forming Wear‒Resistant Coatings on an Iron Base by Laser Treatment Methods (BNTU, Minsk, 2020).
  7. Yousub L., Nordin M., Sudarsanam B., Farson D. Influence of Fluid Convection on Weld Pool Formation in Laser Cladding // Welding journal. 2014. 93. P. 292‒300.
  8. Бахтеев И. С., Олейник К. И., Литвинюк К.С., Фурман Е. Л., Валиев Р. М. Подбор оптимального состава плазменного покрытия системы Ni‒B‒Si методом CALPHAD воздушных доменных фурм // Расплавы. 2025. № 2 (в печати).
  9. Yongfei J., Li J., Jiang Y.Q., Jia W.L., Lu, Z.J. Modified criterions for phase prediction in the multi‒component laser‒clad coatings and investigations into microstructural evolution/wear resistance of FeCrCoNiAlMox laser‒clad coatings // Applied Surface Science. 2019. 465. P. 700–714.
  10. Zhilina E.M., Russkikh A.S., Krasikov S.A. et al. Synthesis of high‒entropy alloy AlTiZrVNb by aluminothermic reaction // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2022. 67. № 6. P. 888–891.
  11. Balakirev V.F., Osinkina T.V., Krasikov S.A. et al. Joint metallothermic reduction of titanium and rare refractory metals of group V // Russian Journal of Non‒Ferrous Metals. 2021. 62. № 2. P. 190–196.
  12. Карфидов Э. А., Никитина Е. В., Русанов Б. А. Коррозионное поведение высокоэнтропийного сплава AlNiCoCuZr эквиатомного состава в растворе NaCl. // Расплавы. 2024. № 1. С. 82–89.
  13. Николаенко А.А., Третьяк П.А., Быстров А.В. Повреждения и отказы рельсов на западно‒сибирской железной дороге // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2015. № 3. С.13–16.
  14. Филиппов М.А., Макаров А.В., Шешуков О.Ю., Шевченко О.И., Метелкин А.А. Износ и износостойкие материалы: учебное пособие для студентов вуза, обучающихся по направлениям подготовки 22.03.01, 22.04.01 – Материаловедение и технология материалов; 22.03.02 – Металлургия / науч. ред. М. А. Гервасьев. Мин‒во науки и высш. образования РФ ; ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина», Нижнетагил. технол. ин‒т (фил.). — Нижний Тагил: НТИ (филиал) УрФУ. 2019. 372 с.
  15. Chen J.H., Chen P.N., Lin C.M., Chang C.M., Chang Y.Y., Wu W. Microstructure and wear properties of multicomponent alloy cladding formed by gas tungsten arc welding (GTAW) // Surf. Coat. Technol. 2009. 203 (20–21). P.3231–3234.
  16. Sethi A.K. Studies on hard surfacing of structural steel by gas thermal spraying process // Mater. Today: Proceedings. 2020. 21. P.1436–1440.
  17. Furman E.L., Usoltsev E.A., Bakhteev I.S., Furman I.E., Shak A.V. Effect of laser heat treatment on structure and wear resistance of cobalt stellite // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. 1396 (1). P. 12016.
  18. Momin A.G., Khatri B.C., Chaudhari M., Shah V.U., Valaki J. Parameters for cladding using plasma transfer arc welding—a critical // Mater. Today: Proceedings. 2023. 77. P. 614–618.
  19. Ulianitsky V.Y., Batraev I.S., Rybin D.K., Dudina D.V., Korchagin M.A., Gavrilov A.I., Ukhina A.V., Samodurova M.N., Trofimov E.A. FeCoNiCu alloys obtained by detonation spraying and spark plasma sintering of high‒energy ball‒milled powders // Journal of thermal spray technology. 2022. 31 (4). P.1067–1075.
  20. Ulianitsky V.Y., Rybin D.K., Dudina D.V., Ukhina A.V., Bokhonov B.B., Samodurova M.N., Trofimov E.A., Structure and composition of Fe–Co–Ni and Fe–Co–Ni–Cu coatings obtained by detonation spraying of powder mixtures // Materials Letters. 2021. 290. P. 129498.
  21. Гельчинский Б.Р., Балякин И.А., Юрьев А.А., Ремпель А.А. Высокоэнтропийные сплавы: исследование свойств и перспективы применения в качестве защитных покрытий // Успехи химии. 2022. 91 (6). RCR5023.
  22. Junjie G., Yan L., Wei W., Yongxin W., Zheng C. Chemical ordering enhancing mechanical properties of Nb25Ti35V5Zr35Alx refractory high‒entropy alloys. // Journal of Alloys and Compounds. 2025. 1017. 178990.
  23. Junjie G., Wenji L., Yan L., Shilong L., Yongxin W., Zheng C. A single‒phase Nb25Ti35V5Zr35 refractory high‒entropy alloy with excellent strength‒ductility synergy // Journal of Alloys and Compounds, 2024. 1006. 176290.
  24. Brodie J., Wang J., Couzinié J. P., Heczko M., Mazánová V., Mills M. J., Ghazisaeidi M. Stability of the B2 phase in refractory high entropy alloys containing aluminum // Acta Materialia. 2024. 1006. 119745.
  25. Hao W., Weiping C., Zhiqiang F., Chenliang C., Zhao T., Zhenfei J., Haiming W. Lightweight Ti‒Zr‒Nb‒Al‒V refractory high‒entropy alloys with superior strength‒ductility synergy and corrosion resistance // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2023. 116. 106331.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Киселев_статья
Скачать (399KB)
Метаданные
3. Рис. 1. Скорости кристаллизации и фазовые составы в температурном интервале 1600–500 °С, полученные методом Шейла:

Скачать (413KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025