Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University84310.18323/2782-4039-2023-2-64-4ArticlesСтатьиThe study of the structure and properties of a wear-resistant gas-thermal coating containing tungstenИсследование структуры и свойств износостойкого газотермического покрытия с содержанием вольфрамаPlesovskikhAleksey Yu.ПлесовскихАлексей Юрьевич
Russian Federation

postgraduate student

аспирант

plesovskih@tehno-oren.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5303-9780KrylovaSvetlana E.КрыловаСветлана Евгеньевна
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), Professor

доктор технических наук, профессор

krilova27@yandex.ruOrenburg State University, OrenburgОренбургский государственный университет, Оренбург3006202328910130062023https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/843

The paper presents the results of reverse engineering including metallographic, mechanical, and engineering-technical studies of used rods of a compressor produced by the Dresser-Rand company (Siemens, Germany). The study established that the original product is made of AISI 4140 steel with a working coating based on tungsten carbide applied to a depth of 0.2 mm by the HVOF method. The paper contains the results of the development of an import-substituting technological process for producing a wear-resistant powder coating of the Ni–Cr–B–WC system applied by cold gas flame spraying on the surface of a critical unit of compressor equipment in the oil and gas industry. Microanalysis identified that the sprayed spherical WC particles are evenly distributed in the nickel bond without the formation of free cavities at the lamella boundary, retain the size identical to the original powder composition upon the high-speed collision with the substrate, and minimize the level of residual mechanical stresses in the surface layer. The study shows that the sprayed coating has a high microhardness (the bases – 700 HV0.1, WC – up to 2000 HV0.1), which ensures high wear resistance during operation of the rod in a friction pair. A comparative analysis of the tribological properties of the coatings showed that when changing the shape, particle size distribution, and percentage ratio of tungsten carbide from 20 to 70 % in the nickel matrix, the overall wear resistance of the coating equivalently increases. The authors concluded on the possibility of manufacturing an import-substituting product using the gas flame spraying technology with metallurgical powder compositions containing tungsten. The authors developed an industrial technology for applying a wear-resistant coating on the working surface of a rod made of AISI 4140 steel. The paper presents the results of the analysis of the stress state of a material with a coating produced using the developed technology in comparison with the original product. In the product obtained by the experimental technology, in the process of applying the coating and its subsequent mechanical processing, uniform residual mechanical stresses are formed that do not exceed the value of the difference in the principal mechanical stresses. The paper presents the results of the study obtained both on standard samples and on a pilot part.

Представлены результаты реверс-инжиниринга, включающего металлографические, механические и инженерно-технические исследования отработанных штоков компрессора, изготовленного фирмой Dresser-Rand (Siemens, Германия). Установлено, что оригинальное изделие изготовлено из стали AISI 4140 с нанесенным рабочим покрытием на основе карбида вольфрама на глубину до 0,2 мм методом HVOF. Приведены результаты разработки импортозамещающего технологического процесса получения износостойкого порошкового покрытия системы Ni–Cr–B–WC, наносимого методом холодного газопламенного напыления на поверхность ответственного узла компрессорного оборудования нефтегазовой отрасли. Путем микроанализа установлено, что напыляемые частицы WC сферической формы равномерно распределяются в никелевой связке без образования свободных полостей на границе ламелей, сохраняют размер, идентичный исходной порошковой композиции, при скоростном соударении с подложкой, минимизируют уровень остаточных механических напряжений в поверхностном слое. Показано, что напыленное покрытие обладает высокой микротвердостью (основы – 700 HV0,1, WC – до 2000 HV0,1), что обеспечивает высокую износостойкость при эксплуатации штока в паре трения. Сравнительный анализ трибологических свойств покрытий показал, что при изменении формы, гранулометрического содержания и процентного соотношения карбида вольфрама с 20 до 70 % в никелевой матрице эквивалентно увеличивается общая износостойкость покрытия. Сделан вывод о возможности изготовления импортозамещающего изделия с использованием технологии газопламенного напыления металлургическими порошковыми композициями с содержанием вольфрама. Разработана промышленная технология нанесения износостойкого покрытия на рабочую поверхность штока из стали AISI 4140. Приведены результаты анализа напряженного состояния материала с покрытием, полученным по разработанной технологии, в сравнении с оригинальным изделием. У изделия, полученного по экспериментальной технологии, в процессе нанесения покрытия и последующей его механической обработки формируются равномерные остаточные механические напряжения, не превышающие значения разности главных механических напряжений. Представлены результаты исследования, полученные как на стандартных образцах, так и на пилотной детали. 

reverse engineeringcompressor rodcold gas flame sprayingwear-resistant tungsten-based coatingtribological propertiesresidual mechanical stressesреверс-инжинирингшток компрессорахолодное газопламенное напылениеизносостойкое покрытие на основе вольфраматрибологические свойстваостаточные механические напряженияBarvinok V.A., Shitarev I.L., Bogdanovich V.I., Dokukina I.A., Karasev V.M. Wearability, wearproof and heat-shielding coverings for details of the gas path of the turbine, the compressor and the chamber of combustion of gas turbine engine. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. akademika S.P. Koroleva, 2009, no. 3-1, pp. 11–28. EDN: LADTXX.Барвинок В.А., Шитарев И.Л., Богданович В.И., Докукина И.А., Карасёв В.М. Срабатываемые, износостойкие и теплозащитные покрытия для деталей газового тракта турбины, компрессора и камеры сгорания ГТД // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва. 2009. № 3-1. С. 11–28. EDN: LADTXX.Yao H.-L., Yang Ch., Yi D.-L., Zhang M.-X., Wang H.-T., Chen Q.-Yu., Bai X.-B., Ji G.-Ch. Microstructure and mechanical property of high velocity oxy-fuel sprayed WC-Cr3C2-Ni coatings. Surface and Coatings Technology, 2020, vol. 397, article number 126010. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126010.Yao H.-L., Yang Ch., Yi D.-L., Zhang M.-X., Wang H.-T., Chen Q.-Yu., Bai X.-B., Ji G.-Ch. Microstructure and mechanical property of high velocity oxy-fuel sprayed WC-Cr3C2-Ni coatings // Surface and Coatings Technology. 2020. Vol. 397. Article number 126010. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126010.Testa V., Morelli S., Bolelli G., Benedetti B., Puddu P., Sassatelli P., Lusvarghi L. Alternative metallic matrices for WC-based HVOF coatings. Surface and Coatings Technology, 2020, vol. 402, article number 126308. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126308.Testa V., Morelli S., Bolelli G., Benedetti B., Puddu P., Sassatelli P., Lusvarghi L. Alternative metallic matrices for WC-based HVOF coatings // Surface and Coatings Technology. 2020. Vol. 402. Article number 126308. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126308.Rakhadilov B.K., Muktanova N., Zhurerova L.G. Application of HVOF technology for WC-based wear-resistant coatings – an overview. Vestnik NYaTs RK, 2023, no. 1, pp. 4–14. DOI: 10.52676/1729-7885-2023-1-4-14.Рахадилов Б.К., Муктанова Н., Журерова Л.Г. Применение технологии HVOF для получения износостойких покрытий на основе WC – обзор // Вестник НЯЦ РК. 2023. № 1. С. 4–14. DOI: 10.52676/1729-7885-2023-1-4-14.Pereira P., Vilhena L.M., Sacramento J., Senos A.M.R., Malheiros L.F., Ramalho A. Abrasive wear resistance of WC-based composites, produced with Co or Ni-rich binders. Wear, 2021, vol. 482-483, article number 203924. DOI: 10.1016/j.wear.2021.203924.Pereira P., Vilhena L.M., Sacramento J., Senos A.M.R., Malheiros L.F., Ramalho A. Abrasive wear resistance of WC-based composites, produced with Co or Ni-rich binders // Wear. 2021. Vol. 482-483. Article number 203924. DOI: 10.1016/j.wear.2021.203924.Santos R.F., Ferro Rocha A.M., Bastos A.C., Cardoso J.P., Rodrigues F., Fernandes C.M., Sacramento J., Ferreira M.G.S., Senos A.M.R., Fonseca C., Vieira M.F., Malheiros L.F. The effect of Cr content on the corrosion resistance of WC-Ni-Cr-Mo composites. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2021, vol. 95, article number 105434. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2020.105434.Santos R.F., Ferro Rocha A.M., Bastos A.C., Cardoso J.P., Rodrigues F., Fernandes C.M., Sacramento J., Ferreira M.G.S., Senos A.M.R., Fonseca C., Vieira M.F., Malheiros L.F. The effect of Cr content on the corrosion resistance of WC-Ni-Cr-Mo composites // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2021. Vol. 95. Article number 105434. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2020.105434.Santos R.F., Ferro Rocha A.M., Bastos A.C., Cardoso J.P., Rodrigues F., Fernandes C.M., Sacramento J., Ferreira M.G.S., Senos A.M.R., Fonseca C., Vieira M.F., Malheiros Luís F. Microstructural characterization and corrosion resistance of WC-Ni-Cr-Mo composite – The effect of Mo. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2020, vol. 86, article number 105090. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2019.105090.Santos R.F., Ferro Rocha A.M., Bastos A.C., Cardoso J.P., Rodrigues F., Fernandes C.M., Sacramento J., Ferreira M.G.S., Senos A.M.R., Fonseca C., Vieira M.F., Malheiros Luís F. Microstructural characterization and corrosion resistance of WC-Ni-Cr-Mo composite – The effect of Mo // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2020. Vol. 86. Article number 105090. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2019.105090.Wang D., Zhang B., Jia Ch., Gao F., Yu Yu., Chu K., Zhang M., Zhao X. Influence of carbide grain size and crystal characteristics on the microstructure and mechanical properties of HVOF-sprayed WC-CoCr coatings. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2017, vol. 69, pp. 138–152. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2017.08.008.Wang D., Zhang B., Jia Ch., Gao F., Yu Yu., Chu K., Zhang M., Zhao X. Influence of carbide grain size and crystal characteristics on the microstructure and mechanical properties of HVOF-sprayed WC-CoCr coatings // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2017. Vol. 69. P. 138–152. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2017.08.008.Chivavibul P., Watanabe M., Kuroda S., Shinoda K. Effects of carbide size and Co content on the microstructure and mechanical properties of HVOF-sprayed WC–Co coatings. Surface and Coatings Technology, 2007, vol. 202, no. 3, pp. 509–521. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2007.06.026.Chivavibul P., Watanabe M., Kuroda S., Shinoda K. Effects of carbide size and Co content on the microstructure and mechanical properties of HVOF-sprayed WC–Co coatings // Surface and Coatings Technology. 2007. Vol. 202. № 3. P. 509–521. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2007.06.026.Yuan J., Ma Ch., Yang Sh., Yu Zh., Li H. Improving the wear resistance of HVOF sprayed WC-Co coatings by adding submicron-sized WC particles at the splats’ interfaces. Surface and Coatings Technology, 2016, vol. 285, pp. 17–23. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2015.11.017.Yuan J., Ma Ch., Yang Sh., Yu Zh., Li H. Improving the wear resistance of HVOF sprayed WC-Co coatings by adding submicron-sized WC particles at the splats’ interfaces // Surface and Coatings Technology. 2016. Vol. 285. P. 17–23. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2015.11.017.Ma N., Guo L., Cheng Zh., Wu H., Ye F., Zhang K. Improvement on mechanical properties and wear resistance of HVOF sprayed WC-12Co coatings by optimizing feedstock structure. Applied Surface Science, 2014, vol. 320, pp. 364–371. DOI: 10.1016/j.apsusc.2014.09.081.Ma N., Guo L., Cheng Zh., Wu H., Ye F., Zhang K. Improvement on mechanical properties and wear resistance of HVOF sprayed WC-12Co coatings by optimizing feedstock structure // Applied Surface Science. 2014. Vol. 320. P. 364–371. DOI: 10.1016/j.apsusc.2014.09.081.Katranidis V., Gu S., Allcock B., Kamnis S. Experimental study of high velocity oxy-fuel sprayed WC-17Co coatings applied on complex geometries. Part A: Influence of kinematic spray parameters on thickness, porosity, residual stresses and microhardness. Surface and Coatings Technology, 2017, vol. 311, pp. 206–215. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.01.015.Katranidis V., Gu S., Allcock B., Kamnis S. Experimental study of high velocity oxy-fuel sprayed WC-17Co coatings applied on complex geometries. Part A: Influence of kinematic spray parameters on thickness, porosity, residual stresses and microhardness // Surface and Coatings Technology. 2017. Vol. 311. P. 206–215. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.01.015.La Barbera-Sosa J.G., Santana Y.Y., Moreno E., Cuadrado N., Caro J., Renault P.O., Le Bourhis E.Le., Staia M.H., Puchi-Cabrera E.S. Effect of spraying distance on the microstructure and mechanical properties of a Colmonoy 88 alloy deposited by HVOF thermal spraying. Surface and Coatings Technology, 2010, vol. 205, no. 7, pp. 1799–1806. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2010.01.017.La Barbera-Sosa J.G., Santana Y.Y., Moreno E., Cuadrado N., Caro J., Renault P.O., Le Bourhis E.Le., Staia M.H., Puchi-Cabrera E.S. Effect of spraying distance on the microstructure and mechanical properties of a Colmonoy 88 alloy deposited by HVOF thermal spraying // Surface and Coatings Technology. 2010. Vol. 205. № 7. P. 1799–1806. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2010.01.017.Wang Q., Zhang Sh., Cheng Y., Xiang J., Zhao X., Yang G. Wear and corrosion performance of WC-10Co4Cr coatings deposited by different HVOF and HVAF spraying processes. Surface and Coatings Technology, 2013, vol. 218, pp. 127–136. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.12.041.Wang Q., Zhang Sh., Cheng Y., Xiang J., Zhao X., Yang G. Wear and corrosion performance of WC-10Co4Cr coatings deposited by different HVOF and HVAF spraying processes // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 218. P. 127–136. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.12.041.Varis T., Suhonen T., Jokipii M., Vuoristo P. Influence of powder properties on residual stresses formed in high-pressure liquid fuel HVOF sprayed WC-CoCr coatings. Surface and Coatings Technology, 2020, vol. 388, article number 125604. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125604.Varis T., Suhonen T., Jokipii M., Vuoristo P. Influence of powder properties on residual stresses formed in high-pressure liquid fuel HVOF sprayed WC-CoCr coatings // Surface and Coatings Technology. 2020. Vol. 388. Article number 125604. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125604.Santana Y.Y., La Barbera-Sosa J.G., Staia M.H., Lesage J., Puchi-Cabrera E.S., Chicot D., Bemporad E. Measurement of residual stress in thermal spray coatings by the incremental hole drilling method. Surface and Coatings Technology, vol. 201, no. 5, pp. 2092–2098. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2006.04.056.Santana Y.Y., La Barbera-Sosa J.G., Staia M.H., Lesage J., Puchi-Cabrera E.S., Chicot D., Bemporad E. Measurement of residual stress in thermal spray coatings by the incremental hole drilling method // Surface and Coatings Technology. Vol. 201. № 5. P. 2092–2098. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2006.04.056.Krylova S.E., Plesovskikh A.Yu., Kurnoskin I.A., Tavtilov I.Sh. Influence of heat treatment on the structure and properties of the tungsten-containing coating of the working part of oil and gas equipment. Chernye metally, 2022, no. 12, pp. 36–42. DOI: 10.17580/chm.2022.12.05.Крылова С.Е., Плесовских А.Ю., Курноскин И.А., Тавтилов И.Ш. Влияние термической обработки на структуру и свойства вольфрамсодержащего покрытия рабочей части нефтегазового оборудования // Черные металлы. 2022. № 12. C. 36–42. DOI: 10.17580/chm.2022.12.05.Plesovskikh A.Yu., Krylova S.E., Oplesnin S.P. Import-substituting technology for manufacturing parts of the oil and gas industry with the application of wear-resistant coatings based on tungsten. Vestnik sovremennykh tekhnologiy, 2019, no. 2, pp. 9–14. EDN: WJOBJF.Плесовских А.Ю., Крылова С.Е., Оплеснин С.П. Импортозамещающая технология изготовления деталей нефтегазодобывающей отрасли с нанесением износостойких покрытий на основе вольфрама // Вестник современных технологий. 2019. № 2. С. 9–14. EDN: WJOBJF.Plesovskikh A.Y., Krylova S.E., Oplesnin S.P., Kurnoskin I.A. Import-substituting technology for manufacturing parts of the oil and gas industry with the application of tungsten based wear-resistant coatings. Materials Today: Proceedings, 2021, vol. 38, part 4, pp. 1595–1598. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.08.161.Plesovskikh A.Y., Krylova S.E., Oplesnin S.P., Kurnoskin I.A. Import-substituting technology for manufacturing parts of the oil and gas industry with the application of tungsten based wear-resistant coatings // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 38. Part 4. P. 1595–1598. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.08.161.