Сравнительное исследование характеристик композита (Cr3C2

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 10778 (2023) Цитировать эту статью

365 доступов

Подробности о метриках

Типичная ферритно-мартенситная жаропрочная сталь (Т91) широко используется в пароперегревателях, пароперегревателях и на электростанциях. Композиционные покрытия на основе Cr3C2-NiCr известны своей износостойкостью при повышенных температурах. В настоящей работе сравниваются микроструктурные исследования композитных оболочек на основе 75 мас.% Cr3C2 и 25 мас.% NiCr, полученных с помощью лазерной и микроволновой энергии на подложке из стали Т91. Разработанные оболочки обоих процессов были охарактеризованы с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (FE-SEM), дополненного энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (EDS), рентгеновской дифракцией (XRD) и оценкой микротвердости по Виккерсу. Плакировки на основе Cr3C2-NiCr обоих процессов показали лучшее металлургическое соединение с выбранной подложкой. Микроструктура разработанной лазерной оболочки представляет собой характерную плотную затвердевшую структуру с богатой фазой Ni, занимающей междендритные пространства. В случае микроволнового плакирования твердые частицы карбида хрома равномерно диспергируются внутри мягкой никелевой матрицы. Исследование EDS показало, что границы ячеек выстланы хромом, а внутри клеток были обнаружены Fe и Ni. Рентгенофазовый анализ обоих процессов показал общее присутствие таких фаз, как карбиды хрома (Cr7C3, Cr3C2, Cr23C6), железо-никелевого (FeNi3) и хромоникелевого (Cr3Ni2, CrNi), несмотря на эти фазы карбиды железа (Fe7C3). наблюдаются в разработанных СВЧ-оболочках. Однородное распределение таких карбидов в развитой плакирующей структуре обоих процессов свидетельствует о более высокой твердости. Типичная микротвердость лазерной наплавки (1142 ± 65HV) была примерно на 22% выше, чем у микроволновой наплавки (940 ± 42 HV). Используя испытание «шар на пластине», в ходе исследования проанализировано поведение образцов, наплавленных микроволновым излучением и лазером. Образцы с лазерной наплавкой показали превосходную износостойкость благодаря твердосплавным элементам. В то же время образцы, наплавленные микроволновой печью, подвергались большему повреждению поверхности и потерям материала из-за микропорезов, ослабления и усталостного разрушения.

Методы модификации поверхности имеют решающее значение для повышения производительности и долговечности технических компонентов, подверженных сильному износу и коррозии. Из-за своей высокой износостойкости и коррозионной стойкости композитная облицовка, в частности система Cr3C2-NiCr, привлекла большое внимание. Однако источник энергии, используемый в процессе плакирования, существенно влияет на конечные свойства и общие характеристики плакирования1. Композиционные материалы керамика/металл, такие как керметы, уже давно признаны важным решением для повышения износостойкости и коррозионной стойкости механических компонентов в промышленности. Однако традиционные подходы, такие как слитковая или порошковая металлургия, создают серьезные проблемы при производстве металлокерамических композитов. Альтернативно, технологии обработки поверхности, такие как термическое напыление, лазерная и микроволновая наплавка, предлагают практические подходы к разработке функциональных покрытий на промышленных компонентах, эффективно защищая целевые поверхности от проблем, связанных с износом и коррозией2,3. Среди этих методов коммерчески выгодным выбором для создания различных металлокерамических покрытий является напыление высокоскоростного кислородного топлива (HVOF). Покрытия, разработанные с помощью процесса HVOF, обладают значительной прочностью сцепления при минимальной пористости. Однако устранение пор покрытия при нанесении HVOF является сложной задачей, что приводит к более низкой прочности соединения, чем при металлургическом соединении4. Эти недостатки существенно ограничивают промышленное применение процесса HVOF, поскольку наличие пор внутри покрытий может служить путем ускоренной диффузии агрессивных сред, создавая критическую угрозу для срока службы компонента5,6.

Процесс лазерной наплавки представляет собой альтернативный метод нанесения покрытий, предлагающий точный контроль разбавления и металлургического соединения, что облегчает создание усовершенствованных микроструктур. Этот метод имеет различные преимущества, в том числе низкую пористость при полностью плотной структуре, минимальное повреждение целевой подложки на границе раздела и прочную металлургическую связь. В последнее время процессу лазерной наплавки уделяется значительное внимание в области высокотемпературных износостойких покрытий, что делает его важной темой в модификации поверхности материалов. Например, Джаяпракаш и др.7 исследовали характеристики лазерно легированных порошков WC-12%Co и Cr3C2-25%NiCr на чугуне с шаровидным графитом и их влияние на микроструктуру, микротвердость и свойства износостойкости. Целью данной статьи является предоставление информации о микроструктуре и трибологической эволюции во время лазерного легирования порошков WC-12%Co и Cr3C2-25%NiCr на поверхности железа с шаровидным графитом, что может быть полезно для разработки износостойких покрытий для промышленного применения. Другое исследование показало, что лазерная наплавка композитного покрытия NiCr/Cr3C2-30%WS2 может эффективно минимизировать характеристики трения и износа при температурах до 3000 °C8. Лазерный переплав термонапыленных покрытий также широко изучался для различных систем материалов, таких как самотекучие сплавы на основе Ni, керметы WC-Co или Cr3C2-NiCr, с использованием лазерного облучения in situ. Было замечено, что глубина плавления увеличивается с увеличением плотности входной лазерной энергии5,9.