Разработка научных и технологических основ проектирования многофункциональных покрытий с использованием технологии наплавки мощным электронным пучком, выведенным в воздушную атмосферу

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-79-00066

НазваниеРазработка научных и технологических основ проектирования многофункциональных покрытий с использованием технологии наплавки мощным электронным пучком, выведенным в воздушную атмосферу

Руководитель Батаев Владимир Андреевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет" , Новосибирская обл

Конкурс №79 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова Электронный пучок, модифицирование поверхности, антикоррозионные покрытия, пере-работка отработанного ядерного топлива, сплавы титана, сталь, коррозионная стойкость

Код ГРНТИ55.22.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одним из перспективных путей увеличения комплекса эксплуатационных свойств материалов является нанесение функциональных покрытий, повышающих свойства материалов. Разработка слоистых композиционных материалов системы «покрытие - конструкционная сталь», по мнению авторов проекта, позволит создать экономичный материал, обладающий высоким комплексом прочностных свойств, трещиностойкостью и коррозионной стойкостью. Преимущества формирования слоистых материалов заключаются в возможности использования дешёвой стальной основы, обладающей высокой прочностью и хорошей пластичностью в сочетании с коррозионностойким легированным защитным слоем, обладающим свойствами высоколегированной нержавеющей стали. Слоистые материалы на стальной основе являются высокотехнологичными, обладают хорошей свариваемостью, могут подвергаться обработке давлением и различным видам термообработки. Их разработка и исследование представляет собой актуальную научную и прикладную задачу, имеющую важное для современной атомной техники значение. Данный проект направлен на разработку технологии получения высокопрочных коррозионностойких покрытий с применением нового, высокопроизводительного и относительно экономичного способа, основанного на использовании промышленных ускорителей электронов, генерирующих релятивистский электронный пучок энергией до 2,5 МэВ. Производство данных ускорителей налажено в Институте ядерной физики СО РАН. Аналогов данной установке нет, не только в России, но и в мире. При реализации данной технологии сфокусированный релятивистский пучок с помощью специального устройства выпускается в атмосферу. Энергия электронов в пучке позволяет ему одновременно пронизывать слой порошка, выступающего в роли модифицирующего компонента, и верхний слой стальной основы, быстро расплавлять их с формированием однородной ванны расплава, которая также быстро кристаллизуется после прохождения пучка. Толщина покрытия при однослойной наплавке будет составлять 1,5 – 3 мм. За счёт повторных наплавок она может быть увеличена. Производительность наплавки в настоящее время составляет 2 м2/ч и может быть увеличена в полтора - два раза.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Е.Г. Бушуева, Е.А. Дробяз, М.Г. Голковский, В.А. Батаев, Е.В. Домаров, А.А. Дударева Structure and Abrasive Wear Resistance of Stainless Steel Surface Layers Alloyed with Boron Journal of Friction and Wear, 2023. — Т. 44, № 6. — С. 233—244 (год публикации - 2023)

2. Василий Клименов , Евгений Колубаев , Цзэли Хань , Андрей Чумаевский , Эдгар Двилис, Ирина Стрелкова, Екатерина Дробяз, Олег Яременко, Александр Куранов Elastic modulus and hardness of Ti alloy obtained by wire-feed electron-beam additive manufacturing Metal Working and Material Science, 2023 vol. 25 no. 4 pp. 180–201 (год публикации - 2023)
10.17212/1994-6309-2023-25.4-180-201

3. Н.В. Степанова, Р.И. Михалев,Т.Д. Тарасова, Д.С. Волков Влияние алюминия, меди и марганца на структуру и свойства чугунов Металловедение и термическая обработка металлов, № 10, 2023 (год публикации - 2023)
10.30906/mitom.2023.10.53-58

4. Бушуева Е.Г., Пухова Е.А., Батаев В.А., Дударева А.А. Heat resistance of surface layers obtained by electron beam surfacing with Cr-B powder mixtures Russian Physics Journal (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
За отчетный период выполнения проекта были отработаны технологические режимы модифицирования поверхностных слоев конструкционных сталей электронным пучком, выведенным в воздушную атмосферу. Повышение плотности мощности с 31 до 48 кВт/см2 приводит к увеличению толщины наплавленного слоя от 1900 до 2800 мкм. Двухслойная наплавка порошковых композиций обеспечивает прирост толщины слоя до 3100 мкм. Наиболее эффективными режимами является наплавка с плотностью мощности 41-42,8 кВт/см2. В покрытии присутствуют крупные частицы упрочняющей фазы (около 90 %), между которыми располагается мелкодисперсная эвтектика пластинчатого типа в случае наплавки системы Cr-B. При проведении экспериментальных исследований были оценены микротвердость, износостойкость, коррозионная стойкость в азотной кислоте и жаростойкость, разработанных материалов. Для формирования жаростойких и коррозионностойких слоев были выбраны системы Ni-Cr-Mo-Cu-Ti, Ni-Cr-Mo-Nb-Ti. Для всех поверхностно легированных слоев характерно наличие дендритной ликвации по сечению наплавленного слоя. Оси и ветви дендритов обогащены никелем, междендритное пространство содержит больше хрома и титана. Рентгеноструктурный анализ показал наличие γ-твердого раствора FeNi. Высокие скорости охлаждения, реализуемые в процессе формирования покрытия, способствуют повышению дисперсности структуры. Микротвердость покрытий достигает 500…650 HV. Упрочнение данного покрытия путем наплавки второго слоя состава Cr-B повышает микротвердость до 950 HV за счет формирования Cr2B и (Fe, Cr)2B. Микротвердость отдельных боридов хрома составляет 1900 HV. Легирование борида хрома железом снижает твердость ~ 1000…1100 HV. При наплавке порошковых композиции системы W-Zr-Cr-В неоднородность отражается на распределении вольфрама и циркония. Ветви дендритов насыщены вольфрамом и хромом. В междендритном пространстве располагается цирконий. В качестве упрочняющей фазы выступают сложные бориды на основе вольфрама. Это приводит к повышении микротвердости слоя до 1200 HV. Испытания по оценке адгезионной прочности показали, что максимально высокой прочность обладают слои системы Ni–Cr–Mo–Cu–Ti. Напряжение, при котором происходил, отрыв поверхностного слоя от зоны сплавления со сталью 12Х18Н9Т составило 540 МПа, что коррелирует с прочностными характеристиками стали 12Х18Н9Т, полученными при стандартных статических испытаниях на растяжение (550 МПа). При испытаниях по оценке износостойкости наплавленных покрытий наиболее высокий уровень износостойкости в условиях воздействии закрепленных и нежестко закрепленных частиц абразива получили покрытия, полученные при наплавке порошковой системы 10 % Cr – 30 % B. По сравнению со сталью 12Х18Н9Т износостойкость возрастает в 5–6 раз. Высокие показатели износостойкости характерны для поверхностных слоев содержащих бориды хрома Cr2B. Наплавка порошковых композиций Ni-Cr-Mo-(Cu)Nb-Ti как однослойных так и двухслойных позволяет повысить износостойкость наплавленных слоев в 2-2,5 по сравнению со сталью 12Х18Н9Т. Коррозионная стойкость, 46 % Ni + 36 % Cr + 6 % Mo + 6 % Cu + 6 % Ti и 55 % Ni + 23 % Cr + 8 % Mo + 1 % Ti в кипящей азотной кислоте соизмерима со стойкостью стали 12Х18Н9Т, благодаря образованию интерметаллидных фаз на основе титана. формирование второго слоя не оказало положительного влияния на коррозионную стойкость, оксидная пленка активно формировалась на протяжении всего испытания. Электрохимическое поведение наплавленных покрытий подтверждает данные результаты. Наилучшим сопротивлением в данной системе обладает однослойные покрытия 46% Ni + 36% Cr + 6% Mo + 6% Cu + 6% Ti, что подтверждается сдвигом показателя потенциала коррозии в положительную сторону. Наибольший вклад наплавочные порошковые композиции вносят в показатели жаростойкости. Установлено, что максимальное повышение относительной жаростойкости при температуре 850 °C отмечается у наплавленных слоев состава 46 % Ni + 36 % Cr + 6 % Mo + 6 % Cu + 6 % Ti легированных 10 % Cr + 30 % B, что в 6 раз превышает стойкость нержавеющей стали. Полученный результат объясняется формированием жаростойких боридов в Ni-Cr матрице. Слои состава 55 % Ni + 23 % Cr + 8 % Mo + 1 % Ti сформированные при различных режимах, а также легированные 10 % Сr и 30 % В обладают стойкость в 4 раза превышающей стойкость стали 12Х18Н9Т. Легирование поверхностных слоев вольфрамом отрицательно сказывается на уровне жаростойкости, однако данные слои обладаю высокой износостойкостью. По результатам проделанной работы была подана заявка на программу ЭВМ. Программа рассчитывает тепловое поле в образце с учетом времени нахождения пучка над исследуемой точкой поверхности во время сканирования. В процессе расчета учтен факт распределения поверхностной энергии по пятну сканирующего пучка, а также изменение свойств материала пластины и смеси порошков в зависимости от температуры нагрева каждого расчетного узла пластины (плотность, теплоемкость, коэффициент теплопроводности, температуропроводность).

Публикации

1. Бушуева Е.Г., Пухова Е.А., Батыров Б.Б., Гринберг Б.Е. The Effect of Mechanical Activation of the Deposited Powder Composition on the Structure and Properties of the Modified Layers RUSSIAN PHYSICS JOURNAL (год публикации - 2024)

2. Овдина Д.С., Новгородцева О.Н., Андрюшкина В.Е. Hardening of stainless steel surface layers by non-vacuum electron beam cladding RUSSIAN PHYSICS JOURNAL (год публикации - 2024)

3. Муль Д.О., Малютина Ю.Н., Ухина А.В., Попелюх А.И., Бушуева Е.Г., Кривошеев Г.И. Influence of heat treatment on the structure and properties of boronized layers formed on chromium-nickel austenitic steel by nonvacuum electron beam processing Russian physics journal (год публикации - 2024)

4. Андрюшкина В.Е., Пухова Е.А., Бушуева Е.Г., Тюрин А.Г., Малютина Ю.Н. The Dependence of the Wear Resistance of the Formed Layers on Steel 0.12C-18Cr-9Ni-Ti on the Equipment of The Surfacing Powder Mixture (Cr-B) RUSSIAN PHYSICS JOURNAL (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
За отчетный период выполнения проекта было проанализировано влияние составов наплавляемых порошковых композиций на твердость, износостойкость и жаростойкость наплавленных покрытий в условиях нагрева от 650 до 950 ℃. Используемые режимы наплавки позволили сформировать на поверхности конструкционных сталей легированные слои толщиной от 2,4 до 3,2. Высокая плотность мощности обеспечивает возможность наплавки порошковых композиций различного химического состава, в том числе и тугоплавких частиц. Наплавка порошковых композиций Nb-Cr-Ti обеспечила формирование слоев микротвердость которых достигала 650…700 HV. Испытания по оценки износостойкости показали, что наиболее высокий уровень износостойкости поверхностно легированных материалов обеспечивает режим, основанный на электронно-лучевой наплавке смеси 50Nb-25CrВ-25TiВ при токе пучка электронов 23 мА. Стойкость наплавленных материалов при трении о закрепленные и нежестко закрепленные частицы абразива возросла в 3–4 раза. Оценка стойкости материала в условиях воздействия повышенных температур (850 С) свидетельствует о высокой стойкости наплавленных покрытий. Прирост массы в процессе выдержки в окислительной среде составляет 4,1 г/м2, что в два раза выше стойкости нержавеющей стали 12Х18Н9Т (прирост массы 8,5 г/м2). С целью повышения жаростойкости легированных слоев в наплавочную порошковую смесь добавляли частицы порошка тантала, в количестве от 15 до 35 %, и гафния 10-15 % от общего объема смеси. Выбор данных материалов обусловлен их высокой термической стабильностью и стойкостью в кислотах. Установлено, что в процессе наплавки формируется структура, состоящая из интерметаллидов TaFe2 и Cr2Hf, равномерно распределенных в матрице α-Fe. Микротвердость покрытий достигает 800…850 HV. Легирование поверхностных слоев конструкционной стали ниобием, танталом и гафнием увеличивает коррозионную стойкость стали в 10% растворе азотной кислоты. Добавка коррозионностойких компонентов увеличивает область пассивации наплавленных покрытий по сравнению с нержавеющей сталью 12Х18Н9Т за счет образования плотных оксидных пленок. Анализ стойкости данных материалов при повышенных температурах показал, что жаростойкость при нагреве 850 ℃ выше нержавеющей стали в 2 раза. Для создания покрытий с высокой жаростойкостью и твердостью в наплавочную смесь добавляли бориды хрома. CrB характеризуется высокой стойкостью при повышенных температурах, а также высокой твердостью до 18 ГПа. Наплавка порошковых композиций Nb-Ta-Hf-CrB приводит к формированию покрытий толщиной 2,8 мм и твердостью 2100 HV. Повышение твердости обеспечивается наличием мелкодисперсных боридов Cr2B и (Cr,Fe)2B. Жаростойкость покрытий в 10 раз превышает стойкость нержавеющей стали. В легированных слоях, сформированных с использованием порошковой композиции 10 Cr- 10Zr-B микротвердость достигает 9 Гпа. Замена циркония на вольфрам приводит к увеличению твердости до 12 Гпа. Формирование модифицированных слоев, легированных Cr и Zr при температуре 950 ℃ позволяет уменьшить прирост массы на поверхности. Максимально стойким является состав 15 Cr – 5 Zr – 30 B – в 4,5 раза лучше эталонной стали 12Х18Н9Т при этом плотная оксидная пленка является равномерной и бездефектной. Рентгенофазовый анализ системы Cr – Zr – B показал, что при температуре 950 ℃ формируются шпинели сложного состава на основе циркония, никеля и хрома – ZrFe2O4, NiFe2O4, Cr2FeO4, а так же оксид железа Fe2O3. При этом шпинель, легированная цирконием не наблюдается в составе 15 Cr – 5 Zr – 30 B. Формирование шпинелей способствует замедлению взаимной диффузии металла и кислорода сквозь оксидный слой и снижению скорости окисления. Отсутствие большого количества различных оксидов позволяет уменьшить количество напряжений в оксидном слое и не приводит к его разрушению.

Публикации

1. Овдина Д.С., Малютина Ю.Н., Пай В.В., Лукьянов Я.Л., Батыров Б.Б. Формирование защитных покрытий на основе никелевых сплавов на аустенитной стали Металлург (Metalurgist), Металлург. 2025. № 9. С. 66-71. (год публикации - 2025)
: 10.52351/00260827_2025_9_66

2. Дробяз Е.А., Батаев В.А., Петухова П.М., Новгородцева О.Н. Коррозионная стойкость материалов, полученных методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковых смесей ниобий-гафний-тантал Металлург(Metalurgist), Металлург(Metalurgist). 2025. № 9. С. 111-115. (год публикации - 2025)
10.52351/00260827_2025_9_111

3. Бушуева Е.Г., Шыырап Е.И., Новгородцева О.Н., Турло Е.М., Батаев В.А. Структура и свойства наплавленных слоев системы Hf-Ti-B,полученных по технологии вневакуумной электронно-лучевой наплавки Металлург (Metalurgist), Металлург. 2025. № 9. С. 54-58. (год публикации - 2025)
10.52351/00260827_2025_9_54

4. Хабиров Р.Р., Кузьмин Р.И., Масс А.В., Миллер А.А., Агафонов М.Ю., Александрова Н.С., Батаев В.А. Влияние способа синтеза оксида марганца на структуру и свойства MnZn ферритов Металлург (Metalurgist), Металлург. 2025. № 9. С. 48-53. (год публикации - 2025)
10.52351/00260827_2025_9_48

5. В.Г. Буров, С.В. Станкевич, И.А. Батаев, М.Л. Хейфец, К.И. Эмурлаев, Е.А. Дробяз, Д.И. Котов, А.А. Батаев Установка для изучения механизмов поверхностного разрушения материалов, сочетающая ударное нагружение, трение качения и скольжения Трение и износ (Friction and Wear), Трение и износ (Friction and Wear). - 2025. — Т. 46, № 4. — С. 333—341 (год публикации - 2025)
10.32864/0202-4977-2025-46-4-333-341

6. Малютина Ю.Н., Руктуев А.А., Эмурлаев К.И., Петухова П.М., Панафигин М.А., Батаев В.А., Лосинская А.А. Microstructure, Mechanical Properties, and Corrosion Behavior of NiCrMoTi Coatings with Boron Addition Fabricated by Non-vacuum Electron Beam Cladding Metals and Materials International, Metals and Materials International.-2025 (год публикации - 2025)
10.1007/s12540-025-02136-x

7. Дробяз Е.А., Батаев В.А., Голковский М.Г., Батаева З.Б. Структура и свойства многослойных покрытий, полученных с использованием технологии электронно-лучевой наплавки Металловедение и термическая обработка металлов (METAL SCIENCE AND HEAT TREATMENT), № 12(846). - 2025. - С. 38-44 (год публикации - 2025)
10.30906/mitom.2025.12.38-44

8. Бушуева Е.Г., Дробяз Е.А., Батаев В.А., Батаев А.А., Чакин И.К., Пухова Е.А. Структура и свойства борированных слоев хромоникелевой стали, сформированных методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки Металловедение и термическая обработка металлов (METAL SCIENCE AND HEAT TREATMENT), № 12(846). - 2025. - С. 20-27 (год публикации - 2025)
10.30906/mitom.2025.12.20-27

9. Пухова Е.А., Муль Д.О., Батаев В.А., Дробяз Е.А. Триботехнические и механические характеристики поверхностных слоев хромоникелевой стали, легированных вольфрамом, цирконием и бором в процессе вневакуумной электронно-лучевой обработки Металловедение и термическая обработка металлов (METAL SCIENCE AND HEAT TREATMENT), № 12(846). - 2025. - С. 45-55 (год публикации - 2025)
10.30906/mitom.2025.12.45-55

10. Пухова Е.А., Петухова П.М., Батаев В.А. Структура и жаростойкость поверхностных слоев хромоникелевой аустенитной стали, легированных бором, хромом и цирконием Металловедение и термическая обработка металлов (METAL SCIENCE AND HEAT TREATMENT), № 12 (846). - 2025. - С. 56-62 (год публикации - 2025)
10.30906/mitom.2025.12.56-62

11. Овдина Д.С., Петухова П.М., Батаев В.А., Пухова Е.А. Структура и свойства покрытий системы Ni-Cr-Mo-Ti Металловедение и термическая обработка металлов (METAL SCIENCE AND HEAT TREATMENT), № 12 (846). - 2025. - С. 63-69 (год публикации - 2025)
10.30906/mitom.2025.12.63-69

12. Бушуева Е.Г., Дробяз Е.А., Голковский М.Г., Батаев В.А., Пухова Е.А. Гидроабразивное изнашивание хромоникелевой аустенитной стали, упрочненной боридами Металлург (Metalurgist), Металлург. 2025. № 9. С. 27-32. (год публикации - 2025)
10.52351/00260827_2025_9_27

13. Пухова Е.А., Петухова П.М., Андрюшкина В.Е., Батаев В.А., Малютина Ю.Н., Домаров Е.В. Структура и жаростойкость поверхностных слоев, сформированных при наплавке порошковых смесей бора, хрома и вольфрама на коррозионностойкую сталь Металлург (Metalurgist), Металлург. 2025. № 9. С. 105-110. (год публикации - 2025)
10.52351/00260827_2025_9_105

14. Бушуева Е.Г., Муль Д.О., Батаев В.А., Шыырап Е.И., Бурова Е.А. Структура и свойства стали, поверхностно модифицированной соединениями Hf-MoB и Hf-Ni-B Frontier Materials & Technologies (год публикации - 2026)

15. Бушуева Е.Г., Турло Е.М., Шыырап Е.И., Новгородцева О.Н. Коррозионные свойства поверхностно-борированной хромоникелевой аустенитной стали Металловедение и термическая обработка металлов (METAL SCIENCE AND HEAT TREATMENT), № 12(846). - 2025. - С. 28-35 (год публикации - 2025)
10.30906/mitom.2025.12.28-35

16. Пухова Е.А., Дробяз Е.А., Батаев В.А. СТОЙКОСТЬ К ОКИСЛЕНИЮ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ НА СТАЛИ 12Х18Н9Т, ЛЕГИРОВАННЫХ БОРОМ И ЦИРКОНИЕМ Известия вузов. Физика. (Russian Physics Journal), Известия вузов. Физика. - 2025. - Т 68. - № 12. - С. 172-175 (год публикации - 2025)
10.17223/00213411/68/12/22