Влияние электроискровой обработки электродами из циркония на структуру и свойства никельсодержащего сплава, полученного селективным лазерным сплавлением

Для повышения эксплуатационных свойств Ni-содержащего сплава, полученного по технологии селективного лазерного сплавления (СЛС), наносили защитные покрытия методом электроискрового легирования (ЭИЛ) с использованием электродов из циркония. Кинетику массопереноса изучали на 5 различных частотно-энергетических режимах обработки. С помощью аналого-цифрового преобразователя установлены среднее количество импульсных разрядов, энергия единичных импульсов и суммарная энергия импульсных разрядов за 1 мин обработки (ΣЕ) для всех применяемых режимов. В низкоэнергетических условиях обработки (ΣЕ = 1459÷2915 Дж) наблюдался слабый массоперенос, привес массы катода фиксировался только в первые минуты. С увеличением времени обработки происходила убыль массы подложки. Шероховатость покрытий (Ra) варьировалась в диапазоне 3,9–7,2 мкм. На высокоэнергетических режимах (ΣЕ = 5197÷17212 Дж) из-за интенсивного нагрева электродов наблюдался устойчивый привес массы катода, но сформированные покрытия имели повышенную шероховатость: Ra = 7,4÷8,6 мкм. Параметр Ra для исходных СЛС-образцов составлял 10,7 мкм. Сформированные покрытия характеризовались толщиной 15–30 мкм, высокой сплошностью (до 100 %), твердостью 9,0–12,5 ГПа, модулем упругости 122–145 ГПа, коэффициентом трения 0,36–0,49. Проведение ЭИЛ-обработки способствовало росту износостойкости СЛС-сплава в 7,5–20,0 раз, а жаростойкости на 10–20 % (t = 1150 °C, τ = 30 ч). Установлено, что наилучшими свойствами (твердость, модуль упругости, шероховатость износо- и жаростойкость) обладает покрытие, полученное на низкоэнергетическом режиме ЭИЛ с энергией ΣЕ = 2915 Дж.

1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года. Авиационные материалы и технологии. 2012. No. S. С. 7—17.

2. Логунов А.В., Берсенев А.Г., Логачёва А.И. Проблемы и перспективы применения металлургии гранул для ракетно-космической техники. Двигатель. 2008. No. 2. С. 8—11.

3. Kaplanskii Yu.Yu., Zaitsev A.A., Levashov E.A., Loginov P.A., Sentyurina Zh.A. NiAl based alloy produced by HIP and SLM of pre-alloyed spherical powders. Evolution of the structure and mechanical behavior at high temperatures. Mater. Sci. Eng. A. 2018. Vol. 717. P. 48—59. DOI:10.1016/j.msea.2018.01.057.

4. Carter L.N., Martin Ch., Withers Ph. J., Attallah M.M. The influence of the laser scan strategy on grain structure and cracking behaviour in SLM powder-bed fabricated nickel superalloy. J. Alloys Compd. 2014. Vol. 615. P. 338—347. DOI:10.1016/j.jallcom.2014.06.172.

5. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий. Авиационные материалы и технологии. 2012. No. S. С. 19—36.

6. Поклад В.А., Шкретов Ю.П., Абраимов Н.В. Покрытия для защиты от высокотемпературной газовой коррозии лопаток ротора турбины ГТД. Двигатель. 2010. No. 4 (70). С. 2—4.

7. Хокинг М., Васантасри В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия: Получение, свойства и применение. М.: Мир, 2000.

8. Подчерняева И.А., Панасюк А. Д., Тепленко М. А., Подольский В.И. Защитные покрытия на жаропрочных никелевых сплавах (обзор). Порошковая металлургия. 2000. No. 9/10. С. 12—27.

9. Матвеев П.В., Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Косьмин А.А. Защитные жаростойкие покрытия для сплавов на основе интерметаллидов никеля. Авиационные материалы и технологии. 2013. No. 2 (27). С. 12—15.

10. Чубаров Д.А., Будиновский С.А., Смирнов А.А. Магнетронный способ нанесения керамических слоев теплозащитных покрытий. Авиационные материалы и технологии. 2016. No. 4 (45). С. 23—30.

11. Будиновский С.А., Чубаров Д.А., Матвеев П.В. Современные способы нанесения теплозащитных покрытий на лопатки газотурбинных двигателей (обзор). Авиационные материалы и технологии. 2014. No. S5. С. 38—44.

12. Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С., Крымов В.В. Авиационное материаловедение и технология обработки металлов Учеб. пособие для авиац. вузов. М.: Высш. шк., 1998.

13. Балдаев Л.Х., Балдаев С.Л., Мазилин И.В., Ахметгареева А.М. Применение термобарьерных покрытий для лопаток современных газотурбинных установок на примере ГТД-110М. Надежность и безопасность энергетики. 2016. No. 2 (33). С. 70—72.

14. Денисова В.С., Соловьёва Г. А., Орлова Л.А. Синтез ресурсных жаростойких эмалевых покрытий на основе стёкол барийалюмосиликатной системы для никелевых сплавов. Успехи в химии и химической технологии. 2014. Т. 28. No. 8 (157). C. 39—42.

15. Wang Mao-cai, Wang Wei-fu, Xie Yu-jiang, Zhang Jie. Electro-spark epitaxial deposition of NiCoCrAlYTa alloy on directionally solidified nickel-based superalloy. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2010. Vol. 20. Issue 5. P. 795—802.

16. Enrique P. D., Marzbanrad E., Mahmoodkhani Y., Jiao Z., Toyserkani E., Zhou N. Surface modification of binderjet additive manufactured Inconel 625 via electrospark deposition. Surf. Coat. Technol. 2019. Vol. 362. P. 141—149.

17. Левашов Е.А. Кудряшов А.Е., Замулаева Е.И., Погожев Ю.C., Санин В.Н., Андреев Д.Е., Юхвид В.И. Особенности формирования, структура, состав и свойства электроискровых покрытий на никелевом сплаве ЖС6У при использовании сплава ХТН-61 СВС-Ц. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2009. No. 2. С. 33—38.

18. Kudryashov A.E., Potanin A.Y., Lebedev D.N., Sukhorukova I.V., Shtansky D.V., Levashov E.A. Structure and properties of Cr—Al—Si—B coatings produced by pulsed electrospark deposition on a nickel alloy. Surf. Coat. Technol. 2016. Vol. 285. P. 278—288.

19. Kudryashov A.E., Lebedev D.N., Potanin A.Y., Levashov E.A. Structure and properties of coatings produced by pulsed electrospark deposition on nickel alloy using Mo— Si—B electrodes. Surf. Coat. Technol. 2018. Vol. 335. P. 104—117.

20. Kudryashov A.E., Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Petrzhik M.I., Levashov E.A. Application of Zr—Si—B electrodes for electrospark alloying of Inconel 718 in vacuum, argon and air environment. CIS Iron Steel Rev. 2019. Vol. 18. P. 46—51.

21. Цивирко Э.И., Лысенко Н.А., Клочихин В.Г., Жеманюк П.Д. Легирование и модифицирование никелевых сплавов цирконием. Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. 2007. No. 2. С. 22—29.

22. Базылева О.А., Аргинбаева Э.Г., Луцкая С.А. Методы повышения коррозионной стойкости жаропрочных никелевых сплавов (обзор). Труды ВИАМ. 2018. No. 4 (64). С. 3—8.

23. Верхотуров А.Д., Гордиенко П.С., Коневцов Л.А., Панин Е.С., Потапова Н.М. Температурное окисление вольфрамокобальтовых твердых сплавов. Перспективные материалы. 2008. No. 2. С. 68—75.

24. Востриков Я.А., Верхотуров А.Д., Бурков А.А., Рыбалкин А.А., Коновалова Н.С. Повышение жаростойкости и износостойкости вольфрамсодержащих твердых сплавов методом ЭИЛ. Ученые записки Комсомольского-на-Амуре гос. техн. ун-та. 2017. Т. 1. No. 2 (30). С. 90—99.

25. Wang X.-R., Wang Z.-Q., He P., Lin T.-S., Shi Y. Microstructure and wear properties of CuNiSiTiZr high-entropy alloy coatings on TC11 titanium alloy produced by electrospark — computer numerical control deposition process. Surf. Coat. Technol. 2015. Vol. 283. P. 156—161. DOI:10.1016/j.surfcoat.2015.10.013.

26. Hong X., Tan Y., Zhou C., Xu T., Zhang Z. Microstructure and tribological properties of Zr-based amorphousnanocrystalline coatings deposited on the surface oftitanium alloys by Electrospark Deposition. Appl. Surf. Sci. 2015. Vol. 356. P. 1244—1251. DOI:10.1016/j.apsusc.2015.08.233.

27. Hong X., Tan Y., Wang X., Xu T., Gao L. Microstructure and wear resistant performance of TiN/Zr-base amorphousnanocrystalline composite coatings on titanium alloy by electrospark deposition. Surf. Coat. Technol. 2016. Vol. 305. P. 67—75. DOI:10.1016/j.surfcoat.2016.07.077.

28. Cadney S., Brochu M. Formation of amorphous Zr41,2Ti13,8Ni10Cu12,5Be22,5 coatings via the ElectroSpark Deposition process. Intermetallics. 2008. Vol. 16. P. 518—523. DOI:10.1016/j.intermet.2007.12.013.

29. Kuptsov K.A., Antonyuk M.N., Bondarev A.V., Sheveyko A.N., Shtansky D.V. Electrospark deposition of wear and corrosion resistant Ta(Zr)C—(Fe,Mo,Ni) coatings to protect stainless steel from tribocorrosion in seawater. Wear. 2021. Vol. 486—487. Art. 204094. DOI:10.1016/j.wear.2021.204094.

30. Верхотуров А.Д., Подчерняева И.А., Прядко Л.Ф. Егоров Ф.Ф. Электродные материалы для электроискрового легирования. М.: Наука, 1988.

31. Николенко С.В., Верхотуров А.Д. Новые электродные материалы для электроискрового легирования. Владивосток: Дальнаука, 2005.

32. Федосеев М.Е., Кошуро В.А., Аман А., Фомин А.А. Структура и твердость стали Х12МФ после электроискрового легирования цирконием и цементации в графитовой пасте. Вестник Саратовского гос. техн. ун-та. 2020. No. 2 (85). С. 85—90.

33. Николенко С.В., Верхотуров А.Д., Коваленко С.В. Поверхностная обработка титанового сплава ВТ-20 электроискровым легированием. Перспективные материалы. 2002. No. 3. С. 13—19.

34. Николенко С.В., Ри Х. Электродные материалы для электроискрового легирования с минеральными и самофлюсующимися добавками. Хабаровск: ТОГУ, 2015.

35. Zaitsev A.A., Sentyurina Zh.A, Levashov E.A., Pogozhev Y.S., Sanin V.N., Loginov P.A., Petrzhik, M.I. Structure and properties of NiAl—Cr (Co, Hf) alloys prepared by centrifugal SHS casting. Pt. 1. Room temperature investigations. Mater. Sci. Eng. A. 2017. Vol. 690. P. 463—472.

36. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М.: МИСиС, 1994.

37. Шелехов Е.В., Свиридова Т.А. Программы для рентгеновского анализа поликристаллов. МиТОМ. 2000. No. 8. С. 16—19.

38. Levashov E.A., Shtansky D.V., Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Petrzhik M.I., Tyurina M.Ya., Sheveyko A.N. Multifunctional nanostructured coatings: Formation, structure, and the uniformity of measuring their mechanical and tribological properties. Russ. Metallurgy (Metally). Vol. 2010. No. 10. P. 917—935.

39. Войтович Р.Ф., Пугач Э.А. Окисление тугоплавких соединений: Справочник. Под ред. Г.В. Самсонова. Киев: Наук. Думка. 1968.

40. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник. Под общ. ред. Н.П. Лякишева. Т. 2. М.: Машиностроение, 1997.

41. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник. Под общ. ред. Н.П. Лякишева. Т. 3. Кн. 1. М.: Машиностроение, 2001.

42. Дриц М.Е., Будберг П.Б. Свойства элементов: Справочник. М.: Металлургия, 1985.

43. Sheveyko A.N., Kuptsov K.A., Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Kaplansky Yu.Yu., Orekhov A.S., Levashov E.A. Protective coatings for LPBF Ni-based superalloys using a combination of electrospark deposition and pulsed arc evaporation methods. Appl. Surf. Sci. 2022. Vol. 581. Art. 152357. DOI:10.1016/j.apsusc.2021.152357.

44. Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Sheveyko A.N., Shvindina N.V., Levashov E.A., Shtansky D.V. Comparative study of Ti—C—Ni—Al, Ti—C—Ni—Fe, and Ti—C—Ni— Al/Ti—C—Ni—Fe coatings produced by magnetron sputtering, electro-spark deposition, and a combined two-step process. Ceram. Inter. 2018. Vol. 44. Iss. 7. P. 7637—7646. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884218302025.

45. Xian L., Zhao H., Xian G., Fan H., Xiong J. Oxidation resistance and thermal insulation performance of thin nano-multilayered (Al,Cr)2O3 /ZrO2 coating prepared by arc ion plating technique. Mater. Lett. 2020. Vol. 281. Art. 128649. DOI:10.1016/j.matlet.2020.128649.