powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2024-5-44-54powder-922Research ArticleНаноструктурированные материалы и функциональные покрытияNanostructured Materials and Functional CoatingsФормирование износостойких покрытий в процессе электродуговой наплавки с ультразвуковыми колебаниямиFormation of wear-resistant coatings during electric arc surfacing with ultrasonic vibrationshttps://orcid.org/0000-0003-0001-8019ПрияткинД. В.PriyatkinD. V.

Дмитрий Вячеславович Прияткин – к.т.н., ст. преподаватель кафедры «Оборудование и технология сварочного производства»

Россия, 400005, г. Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28

Dmitriy V. Priyatkin – Cand. Sci. (Eng.), Senior Lecturer, Department of Equipment and Welding Production

28 Lenin Prosp., Volgograd 400005, Russia

priyatkin.dv@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6616-0427АртемьевА. А.Artem’evA. A.

Александр Алексеевич Артемьев – к.т.н., доцент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства»

Россия, 400005, г. Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28

Aleksandr A. Artem’ev – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department of Equipment and Welding Production

28 Lenin Prosp., Volgograd 400005, Russia

artspace7@ya.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3066-058XЛысакВ. И.LysakV. I.

Владимир Ильич Лысак – д.т.н., профессор, академик РАН, заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства»

Россия, 400005, г. Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28

Vladimir I. Lysak – Dr. Sci. (Eng.), Professor, Academician of the Russian Academy of Sciences, Head of the Department of Equipment and Welding Production, Scientific Director

28 Lenin Prosp., Volgograd 400005, Russia

lysak@vstu.ruВолгоградский государственный технический университетРоссияVolgograd State Technical UniversityRussian Federation2024271020241854454Copyright © Прияткин Д.В., Артемьев А.А., Лысак В.И., 20242024Прияткин Д.В., Артемьев А.А., Лысак В.И.Priyatkin D.V., Artem’ev A.A., Lysak V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/922

Исследование посвящено изучению влияния ультразвуковых колебаний, вводимых в кристаллизующийся металл сварочной ванны через присадочную проволоку в процессе автоматической электродуговой наплавки порошковой проволокой, на особенности формирования износостойкого покрытия из сплава 280Х14Г6Н6М3Т2Б2. Выявлено влияние ультра­звуковых колебаний на структурно-фазовый состав и твердость наплавленного покрытия, а также его износостойкость при нормальной и повышенной до 600 °С температурах в условиях воздействия газоабразивного потока. Изучен характер разрушения тонких поверхностных слоев изношенных покрытий. Установлено, что микроструктура покрытия состоит из карбидной эвтектики на основе аустенита, обладающего повышенной пластичностью и достаточно высокой прочностью за счет легирования хромом и молибденом, что способствует надежному закреплению в нем упрочняющих фаз, представленных карбидами Мо2С, (Ti,Nb,Mo)xCy и MexCy . Показано, что под действием высокочастотных акустических колебаний в структуре сплава исчезают крупные первичные карбиды MexCy , на 25 % увеличивается объемная доля аустенита при снижении доли карбидов типа MexCy , а также наблюдается перераспределение легирующих элементов между аустенитом и карбидной фазой. Установлено, что формирование тонкопластинчатой эвтектики обусловливает изменения в механизме изнашивания сплава: прослойки твердого раствора демпфируют сдвиговые деформации при ударах абразивных частиц, а пластическое течение аустенитной матрицы формирует вокруг образующихся обломков карбидов металлическую связку, снижая вероятность их выкрашивания. Это способствует повышению на 18 % стойкости сплава к высокотемпературному газоабразивному изнашиванию, которая превосходит показатель зарубежного промышленного аналога.

The study focuses on investigating the influence of ultrasonic vibrations introduced into the crystallizing metal of the weld pool through filler wire during automated electric arc surfacing with flux-cored wire, on the formation characteristics of a wear-resistant coating made from the 280Cr14Mn6Ni6Mo3Ti2Nb2 alloy. The effect of ultrasonic vibrations on the structural-phase composition, hardness, and wear resistance of the surfaced coating is analyzed, particularly under normal and elevated temperatures up to 600 °C in conditions of exposure to a gas-abrasive flow. The failure pattern of the thin surface layers of the worn coatings is also studied. It was established that the microstructure of the coating consists of a carbide eutectic based on austenite, which possesses increased ductility and sufficiently high strength due to alloying with chromium and molybdenum. This ensures reliable retention of reinforcing phases represented by Мо2С, (Ti,Nb,Mo)xCy , and MexCy carbides. It is shown that under the influence of high-frequency acoustic vibrations, large primary MexCy carbides disappear from the alloy structure, the volume fraction of austenite increases by 25 %, and the proportion of MexCy-type carbides decreases. Additionally, a redistribution of alloying elements between the austenite and carbide phases is observed. The formation of a fine lamellar eutectic leads to changes in the wear mechanism of the alloy: hard solution layers dampen shear deformations caused by impacts of abrasive particles, while the plastic flow of the austenitic matrix forms a metallic binder around the broken carbide fragments, reducing the likelihood of their detachment. This results in an 18 % increase in the alloy’s resistance to high-temperature gas-abrasive wear, surpassing the performance of an international industrial counterpart.

износостойкие покрытиякарбидыаустенитэлектродуговая наплавкаультразвуковые колебанияприсадочная проволокавысокотемпературное газоабразивное изнашиваниеwear-resistant coatingscarbidesausteniteelectric arc surfacingultrasonic vibrationsfiller wirehigh-temperature gas-abrasive wearИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-13-00354, https://rscf.ru/project/23-13-00354.This research was supported by a grant from the Russian Science Foundation No. 23-13-00354, https://rscf.ru/project/23-13-00354.ReferencesСоколов Г.Н., Лысак В.И. Наплавка износостойких сплавов на прессовые штампы и инструмент для горячего деформирования сталей. Волгоград: Политехник, 2005. 284 с.Sokolov G.N., Lysak V.I. Surfacing of wear-resistant alloys on press dies and tools for hot deformation of steels. Volgograd: Politekhnik, 2005. 284 p. (In Russ.).Pawar S., Jha A.K., Mukhopadhyay G. Effect of different carbides on the wear resistance of Fe-based hardfacing alloys. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2019;78:288–295. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.10.014Pawar S., Jha A.K., Mukhopadhyay G. Effect of different carbides on the wear resistance of Fe-based hardfacing alloys. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2019;78:288–295. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.10.014Jindal C., Sidhu B.S., Kumar P., Sidhu H.S. Performance of hardfaced/heat treated materials under solid particle erosion: A systematic literature review. Materials Today: Proceedings. 2022;50(5):629–639. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.03.441Jindal C., Sidhu B.S., Kumar P., Sidhu H.S. Performance of hardfaced/heat treated materials under solid particle erosion: A systematic literature review. Materials Today: Proceedings. 2022;50(5):629–639. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.03.441Kleis I., Kulu P. Solid particle erosion: occurrence, prediction and control. London: Springer, 2008. 206 p. https://doi.org/10.1016/10.1007/978-1-84800-029-2Kleis I., Kulu P. Solid particle erosion: occurrence, prediction and control. London: Springer, 2008. 206 p. https://doi.org/10.1016/10.1007/978-1-84800-029-2Fortini A., Suman A., Zanini N. An experimental and numerical study of the solid particle erosion damage in an industrial cement large-sized fan. Engineering Failure Analysis. 2023;146:107058. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2023.107058Fortini A., Suman A., Zanini N. An experimental and numerical study of the solid particle erosion damage in an industrial cement large-sized fan. Engineering Failure Analysis. 2023;146:107058. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2023.107058Roy M. Elevated temperature erosive wear of metallic materials. Journal of Physics D: Applied Physics. 2006;39(6): 101–124. https://doi.org/10.1088/0022-3727/39/6/R01Roy M. Elevated temperature erosive wear of metallic materials. Journal of Physics D: Applied Physics. 2006;39(6): 101–124. https://doi.org/10.1088/0022-3727/39/6/R01Ricardo G.A.N., Sommerfeld M. Comprehensive Euler/Lagrange modelling including particle erosion for confined gas-solid flows. Particuology. 2024; 84:209–235. https://doi.org/10.1016/j.partic.2023.06.010Ricardo G.A.N., Sommerfeld M. Comprehensive Euler/Lagrange modelling including particle erosion for confined gas-solid flows. Particuology. 2024; 84:209–235. https://doi.org/10.1016/j.partic.2023.06.010Zhou L., Li T., Liu Z., Ma H., Xu C., Dong Y., Zhao Y. An impact energy erosion model with an energy allocation rule for the discrete element method. Wear. 2024;540–541: 205233. https://doi.org/10.1016/j.wear.2023.205233Zhou L., Li T., Liu Z., Ma H., Xu C., Dong Y., Zhao Y. An impact energy erosion model with an energy allocation rule for the discrete element method. Wear. 2024;540–541: 205233. https://doi.org/10.1016/j.wear.2023.205233Tarodiya R., Levy A. Surface erosion due to particle-surface interactions – A review. Powder Technology. 2021;387:527–559. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.04.055Tarodiya R., Levy A. Surface erosion due to particle-surface interactions – A review. Powder Technology. 2021;387:527–559. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.04.055Крупич Б., Тарасюк В., Барсуков В.Г., Свириденок А.И. Экспериментальная оценка влияния механических свойств контактирующих материалов на газоабразивное изнашивание сталей в системах пескоструйного типа. Трение и износ. 2020;41(1):5–11.Krupicz B., Tarasiuk W., Barsukov V.G., Sviridenok A.I. Experimental evaluation of the influence of mechanical properties of contacting materials on gas abrasive wear of steels in sandblasting systems. Journal of Friction and Wear. 2020; 41(1):5–11. https://doi.org/10.3103/S1068366620010110Varga M. High temperature abrasive wear of metallic materials. Wear. 2017; 376–377(A):443–451. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.12.042Priyatkin D.V., Artem’ev A.A., Lysak V.I., Loiko P.V. Analysis of hardfacing alloys for work in conditions of gas-abrasive wear at elevated temperatures. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2020; 10(245):49–55. (In Russ.). https://doi.org/10.35211/1990-5297-2020-10-245-49-55Прияткин Д.В., Артемьев А.А., Лысак В.И., Лой­­­ко П.В. Анализ наплавочных сплавов для работы в условиях газоабразивного изнашивания при повышенных температурах. Известия Волгоградского государственного технического университета. 2020;10(245):49–55. https://doi.org/10.35211/1990-5297-2020-10-245-49-55Qin Z., He D., Ma L., He C., Wu X., Wang, G. Influence of Ni additions on microstructure, non-magnetic properties, and wear resistance of Fe–Mn–Cr alloy deposited by metal-cored arc welding. Welding in the World. 2024; 68:699–714. https://doi.org/10.1007/s40194-024-01694-9Qin Z., He D., Ma L., He C., Wu X., Wang, G. Influence of Ni additions on microstructure, non-magnetic properties, and wear resistance of Fe–Mn–Cr alloy deposited by metal-cored arc welding. Welding in the World. 2024; 68:699–714. https://doi.org/10.1007/s40194-024-01694-9Chernyshov G.G., Kobernik N.V., Orlik A.G., Chernyshova T.A. The influence of the structure of the deposited coatings on the resistance to abrasive wear. Fizika i khimiya obrabotki materialov. 2011;(5):44–50. (In Russ.).Чернышов Г.Г., Коберник Н.В., Орлик А.Г., Чернышова Т.А. Влияние структуры наплавленных покрытий на стойкость к абразивному износу. Физика и химия обработки материалов. 2011;(5):44–50.Eremin E.N., Losev A.S., Borodikhin S.A., Matalasova A.E., Ponomarev I.A. Powder wire for surfacing corrosion-resistant and wear-resistant steel. Vestnik mashinostroeniya. 2018;(7):66–68. (In Russ.).Еремин Е.Н., Лосев А.С., Бородихин С.А., Матала­сова А.Е., Пономарев И.А. Порошковая проволока для наплавки коррозионно-стойкой и износостойкой стали. Вестник машиностроения. 2018;(7):66–68.Saraev Yu.N., Lebedev V.A., Novikov S.V. Analysis of existing methods for controlling the structure of the weld metal. Russian Internet Journal of Industrial Engineering. 2016;4(1):16–26. (In Russ.).Сараев Ю.Н., Лебедев В.А., Новиков С.В. Анализ существующих методов управления структурой металла сварного шва. Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. 2016;4(1):16–26.Fan Z., Bai K., Chen C. The application of ultrasound in Joining: Principles, processes and properties. Journal of Manufacturing Processes. 2023;101:269–299. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2023.05.094Fan Z., Bai K., Chen C. The application of ultrasound in Joining: Principles, processes and properties. Journal of Manufacturing Processes. 2023;101:269–299. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2023.05.094Mohsan A.U.H., Zhang M., Wang D., Zhao S., Wang Y., Chen C., Zhang J. State-of-the-art review on the Ultraso­nic Vibration Assisted Laser Cladding (UVALC). Journal of Manufacturing Processes. 2023;107:422–446. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2023.10.066Mohsan A.U.H., Zhang M., Wang D., Zhao S., Wang Y., Chen C., Zhang J. State-of-the-art review on the Ultraso­nic Vibration Assisted Laser Cladding (UVALC). Journal of Manufacturing Processes. 2023;107:422–446. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2023.10.066Zhang K., Gao G., Zhao C., Wang Y., Wang Y., Li, J. Review of the design of power ultrasonic generator for piezoelectric transducer. Ultrasonics Sonochemistry. 2023;96:106438. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2023.106438Zhang K., Gao G., Zhao C., Wang Y., Wang Y., Li, J. Review of the design of power ultrasonic generator for piezoelectric transducer. Ultrasonics Sonochemistry. 2023;96:106438. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2023.106438Chang L., Yanpeng Y., Zhaotai L., Xin H., Tenghui J. Differential analysis of the influence mechanism of ultrasonic vibrations on laser cladding. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2022;38:16–37. https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2022.03.009Chang L., Yanpeng Y., Zhaotai L., Xin H., Tenghui J. Differential analysis of the influence mechanism of ultrasonic vibrations on laser cladding. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2022;38:16–37. https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2022.03.009Kudina A.V., Kurash V.V., Redin I.V., Khrolenok V.V. Obtaining wear-resistant metal coatings by electric arc surfacing with a melting electrode when exposed to ultrasound. Agropanorama. 2013;3(97):34–38. (In Russ.).Кудина А.В., Кураш В.В., Редин И.В., Хроленок В.В. Получение износостойких металлопокрытий электродуговой наплавкой плавящимся электродом при воздействии на него ультразвуком. Агропанорама. 2013;3(97):34–38.Minin S.I., Trofimov A.I., Trofimov M.A. The technology of thermal welding of the circulation piping of NPPS containing the influence of ultrasound. Izvestiya vuzov. Yadernaya energetika. 2016;(4):5–11. (In Russ.). https://doi.org/10.26583/npe.2016.4.01Минин С.И., Трофимов А.И., Трофимов М.А. Технология термической сварки циркуляционных трубопроводов АЭС с воздействием ультразвука. Известия вузов. Ядерная энергетика. 2016;(4):5–11. https://doi.org/10.26583/npe.2016.4.01Priyatkin D.V., Artem’ev A.A., Sokolov G.N., Lysak V.I., Odnogulov R.M., Loiko P.V. Аnalysis of the methods of introducing the ultrasonic vibrations in the weld pool in the process of arc surface and development devices for its implementation. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2019;4(227):68–75. (In Russ.).Прияткин Д.В., Артемьев А.А., Соколов Г.Н., Лысак В.И., Одногулов Р.М., Лойко П.В. Анализ способов введения в сварочную ванну ультразвуковых колебаний в процессе дуговой наплавки и разработка устройства для его осуществления. Известия Волгоградского государственного технического университета. 2019;4(227):68–75.Wang Y., Yu C., Lu H., Chen J. Research status and future perspectives on ultrasonic arc welding technique. Journal of Manufacturing Processes. 2020;58:936–954. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.09.005Wang Y., Yu C., Lu H., Chen J. Research status and future perspectives on ultrasonic arc welding technique. Journal of Manufacturing Processes. 2020;58:936–954. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.09.005Fattahi M., Ghaheri A., Arabian N., Amirkhanlu F., Moayedi H. Applying the ultrasonic vibration during TIG welding as a promising approach for the development of nanoparticle dispersion strengthened aluminum weldments. Journal of Materials Processing Technology. 2020;282:116672. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116672Fattahi M., Ghaheri A., Arabian N., Amirkhanlu F., Moayedi H. Applying the ultrasonic vibration during TIG welding as a promising approach for the development of nanoparticle dispersion strengthened aluminum weldments. Journal of Materials Processing Technology. 2020;282:116672. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116672Priyatkin D.V., Artemyev A.A., Lysak V.I. Investigation of the surfaced metal of the Fe–Cr–Ni–Mn–Mo–Ti–Nb–C system for operation under high-temperature gas-abrasive wear. Voprosy Materialovedeniya. 2022;3(111):17–28. (In Russ.). https://doi.org/10.22349/1994-6716-2022-111-3-17-28Прияткин Д.В., Артемьев А.А., Лысак В.И. Исследование наплавленного металла системы Fe–Cr–Ni–Mn–Mo–Ti–Nb–C для работы в условиях высокотемпературного газоабразивного изнашивания. Вопросы материаловедения. 2022;3(111):17–28. https://doi.org/10.22349/1994-6716-2022-111-3-17-28Artem’ev A.A., Sokolov G.N., Zorin I.V., Lysak V.I., Rykov M.A., Krutenko A.V., Shnipko M.V. Method of tested weld metal for gas-abrasive wearing. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2018;3(213):112–116. (In Russ.).Артемьев А.А., Соколов Г.Н., Зорин И.В., Лысак В.И., Рыков М.А., Крутенко А.В., Шнипко М.В. Методика испытаний наплавленного металла на газоабразивное изнашивание. Известия Волгоградского государственного технического университета. 2018;3(213):112–116.Priyatkin D.V., Artemyev A.A., Lysak V.I., Tsyganok S.N. Electric arc cladding of wear-resistant alloys with ultrasonic action on the weld pool. Svarka i diagnostika. 2023;(5):20–26. (In Russ.).Прияткин Д.В., Артемьев А.А., Лысак В.И., Цыганок С.Н. Электродуговая наплавка износостойких сплавов с ультразвуковым воздействием на сварочную ванну. Сварка и диагностика. 2023;(5):20–26.Sun S., Fu H., Ping X., Guo X., Lin J., Lei Y., Zhou J. Formation mechanism and mechanical properties of titanium-doped NbC reinforced Ni-based composite coatings. Applied Surface Science. 2019;476:914–927. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.01.171Sun S., Fu H., Ping X., Guo X., Lin J., Lei Y., Zhou J. Formation mechanism and mechanical properties of titanium-doped NbC reinforced Ni-based composite coatings. Applied Surface Science. 2019;476:914–927. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.01.171Sun S., Fu H., Ping X., Guo X., Lin J., Lei Y., Zhou J. Formation mechanism and mechanical properties of titanium-doped NbC reinforced Ni-based composite coatings. Applied Surface Science. 2019;476:914–927. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.01.171

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