Исследование структуры и свойств износостойкого газотермического покрытия с содержанием вольфрама

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

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. 

Об авторах

Алексей Юрьевич Плесовских

Оренбургский государственный университет, Оренбург

Автор, ответственный за переписку.
Email: plesovskih@tehno-oren.ru

аспирант

Россия

Светлана Евгеньевна Крылова

Оренбургский государственный университет, Оренбург

Email: krilova27@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5303-9780

доктор технических наук, профессор

Россия

Список литературы

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. 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.
  19. 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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© ,



Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах