Полный текст

С целью снижения ремонтных затрат при защите от газовой коррозии перспективно нанесение жаростойких покрытий из сплавов системы легирования Fe-Cr-Al в форме порошковых проволок (ПП) методом дуговой металлизации (ДМ). Применение ПП для ДМ, в отличие от применения сплошных проволок, позволяет проще получить жаростойкие покрытия сложной системы легирования [1]. Хромоалюминиевые сплавы обладают высокой жаростойкостью за счет того, что на их поверхности при нагреве формируется оксидная пленка Al2O3, которая характеризуется высокой температурой плавления, химической и термической стабильностью [2], благодаря чему обеспечивается продолжительный срок службы защищаемых деталей. Дополнительное легирование указанных сплавов титаном и кремнием позволяет предотвратить формирование железохромистых карбидов (Fe,Cr)7C3 и нитридов алюминия (AlN) и протекание локальной высокотемпературной коррозии (ЛВК) [3]. Легирование иттрием позволяет повысить адгезию оксидной пленки Al2O3 к основному металлу путем предотвращения сегрегации серы на границе раздела, захвата серой электронов у металлических атомов и ослабления связи оксида с металлом за счет формирования сульфидов Y2S3 [4]. Для металлизационных покрытий системы легирования Fe-Cr-Al введение титана, кремния и иттрия может оказывать влияние, аналогичное описанному для хромоалюминиевых сплавов. Однако дополнительное влияние могут оказать условия формирования покрытий при ДМ. Цель работы - исследование влияния условий формирования ДМ-покрытий системы легирования Fe-Cr-Al на их жаростойкость. Методы исследования. Для сравнения жаростойкости выбраны ПП диаметром 2 мм с оболочкой из низкоуглеродистой стали с различным содержанием кремния, титана и иттрия. Расчетный химический состав покрытий из проволоки ППХ15Ю5СТ, мас. %: 17,5Cr; 6,0Al; 1,0Si; 1,0Ti; Fe осн.; из проволоки ППХ15Ю5СТ2И, мас. % 17,5Cr; 6,0Al; 1,4Si; 2,7Ti; 0,5V; Fe осн. Критерием выбора исходного состава проволок было содержание хрома и алюминия как для сплава марки Х15Ю5 по ГОСТ 10994 базовой системы легирования Fe-Cr-Al. Необходимое содержание титана, кремния и иттрия в проволоках было определено согласно расчетам по модели окисления распыляемых частиц при ДМ [5-7]. Существующие операции контроля качества ПП нечувствительны к неоднородностям шихты по длине проволоки, а значит, допускают брак в виде дефектов покрытий при их напылениии на узлы оборудования. В работе контролировали однородность шихты ПП, для которой определяли угол естественного откоса и коэффициент сыпучести. С учетом результатов исследований [8] предложили два состава шихты ПП Х15Ю5СТ2И с различным гранулометрическим составом компонентов для их исследования на склонность к сепарации. Стандартный состав № 1 изготовили из компонентов шихты, имеющих исходную грануляцию от 160 до 320 мкм. Специальный состав № 2 с грануляцией компонентов шихты не более 200 мкм получили за счет ограничения содержания крупных и мелких фракций компонентов. Шихта состава № 2 в сравнении с шихтой состава № 1 имеет меньший угол естественного откоса (32,06 и 39,04°) и большую сыпучесть (коэффициент сыпучести 0,31 и 0,28), что позволяет обеспечить ее однородность по химическому и гранулометрическому составу и повысить качество покрытий. Покрытие из указанных проволок толщиной 0,4 мм наносили методом активированной дуговой металлизации (АДМ). Режим нанесения покрытий: ток 250 А, напряжение 30 В, дистанция напыления 100 мм, давление воздуха и пропана соответственно 0,42 и 0,40 МПа, скорость перемещения пистолета относительно напыляемой поверхности 0,1 м/c, рабочая дистанция 100 мм, толщина покрытия 400 мкм. В отличие от типовой ДМ, при АДМ в качестве транспортирующего газа используется не сжатый воздух, а продукты сгорания пропано-воздушной смеси, благодаря чему создается восстановительная атмосфера, препятствующая насыщению расплавленного металла кислородом [4]. Жаростойкость покрытий определяли по ГОСТ 9.312. Для этого на пластины (30´20´3 ± 0,1) мм из стали 12Х1МФ наносили гальваническое никелевое покрытие толщиной 10 мкм. Никель удалялся струйно-абразивной обработкой со стороны пластины 30´20 мм, на которую затем наносили АДМ-покрытие. Образцы с покрытием и без него выдерживали в течение 100 ч в печи ПВК-1,4-25 на воздухе при температуре 700 °С. Жаростойкость образцов покрытий характеризовали как величину, обратную удельному изменению их массы в результате выдержки. Структуру и микрохимический состав покрытий изучали на сканирующем электронном микроскопе VEGA II XMU. Результаты исследования и их обсуждение. Удельное изменение массы образцов покрытий из ППХ15Ю5СТ и ППХ15Ю5СТ2И после испытаний на жаростойкость составило 0,8-0,6 г/(м2·ч), что существенно ниже аналогичных значений для перлитных сталей и мартенситно-ферритных сталей 12Х1МФ (ГОСТ 20072) и 1Х12В2МФ (ТУ 14-3Р-55). Более того, удельное изменение массы образцов покрытий сопоставимо со значениями для аустенитных сталей 12Х18Н12Т и 20Х23Н18 (ГОСТ 5632), используемых в котлостроении (табл. 1) [9, 10]. Исследование микрохимического состава покрытий после испытаний на жаростойкость показало, что отдельные частицы с размерами 1-10 µм содержат повышенное количество Ti: в покрытиях из ППХ15Ю5СТ (рис. 1, табл. 2) в фазах вида Al2O3 - порядка 4 мас. %, в покрытиях из ППХ15Ю5СТ2И (рис. 2, табл. 3) в фазах вида (Al,Y)2O3 - порядка 4 мас. %, а в фазах вида (Al,Ti,Y)2O3 - порядка 8 мас. %. Предположительно они соответствуют карбиду TiC, как термодинамически более вероятному соединению из возможных в покрытии [11] и демонстрируют повышенное в несколько раз содержание Al и O, при сниженном в несколько раз содержании Cr и Fe в сравнении со средними значениями для покрытия. В то же время содержание S для покрытий из ППХ15Ю5СТ2И в фазах вида (Al,Y)2O3, (Al,Ti,Y)2O3 составляет 0,05 мас. %, тогда как для покрытия оно не превышает 0,02 мас. %, для покрытий из ППХ15Ю5СТ в фазах вида Al2O3 - 0 мас. %, тогда как для покрытия - превышает 0,07 мас. %, что может свидетельствовать о формировании сульфидов Y2S3 на границе раздела «оксидная пленка - покрытие» при легировании последнего иттрием. Можно сделать заключение, что добавка иттрия способствует благоприятному нахождению серы в покрытии. Сера присутствует в виде сульфидов Y2S3, что снижает ее сегрегацию на границе раздела. Таблица 1 Показатели жаростойкости котельных сталей Марка стали Класс стали Удельное изменение массы сталей после выдержки при 700 ºС на воздухе, г/(м2·ч) 12Х1МФ, ГОСТ 20072 Феррито-перлитная сталь 80 1Х12В2МФ, ТУ 14-3Р-55 Мартенсито-ферритная сталь 6 12Х18Н12Т, ГОСТ 5632 Аустенитная сталь 0,4 20Х23Н18, ГОСТ 5632 0,1 Рис. 1. Микрохимический состав поперечного сечения покрытия ППХ15Ю5СТ после испытаний на жаростойкость: 1-3 - спектры микроструктуры Таблица 2 Макрохимический состав покрытия ППХ15Ю5СТ после испытаний на жаростойкость, мас. % Спектр (см. рис. 1) C O Al Si P S Ti Cr Fe Y Фаза 1 1,36 1,30 1,02 0,00 0,07 0,68 17,17 78,39 - a-фаза Fe 2 1,53 1,13 1,00 0,00 0,00 0,67 16,91 78,74 - a-фаза Fe 3 1,74 38,94 51,28 0,04 0,00 0,00 4,11 2,25 1,64 - Al2O3, TiC Рис. 2. Микрохимический состав поперечного сечения покрытия ППХ15Ю5СТ2И после испытаний на жаростойкость: 1-3 - спектры микроструктуры Таблица 3 Макрохимический состав покрытия ППХ15Ю5СТ2И после испытаний на жаростойкость, мас. % Спектр (см. рис. 2) C O Al Si P S Ti Cr Fe Y Фаза 1 1,83 29,91 23,92 0,86 0,11 0,05 8,04 3,82 2,70 28,78 (Al,Y)2O3, TiC 2 1,38 36,12 41,47 0,38 0,00 0,05 4,22 1,88 2,58 11,91 (Al,Y)2O3 3 1,01 - 0,11 1,09 0,00 0,02 0,84 17,31 79,62 0,00 a-фаза Fe Для хромоалюминиевых сплавов за счет легирования кремнием и титаном предотвращается формирование железохромистых карбидов (Fe,Cr)7C3 и нитридов алюминия AlN, являющихся инициаторами ЛВК [3], а за счет легирования иттрием повышается адгезия оксидной пленки Al2O3 к основному металлу. Из приведенных результатов видно, что для покрытий наблюдаются аналогичные эффекты, на поверхности сплавов и покрытий при нагреве формируется пленка двойных оксидов типа шпинелей, благодаря чему обеспечивается высокий уровень жаростойкости материала. Следует отметить, что для покрытий указанный эффект достигается при введении в состав шихты прошковых проволок базовой системы легирования Fe-Cr-Al большего количества титана и кремния, в сравнении с стандартным хромоалюминиевым сплавом Х15Ю5 по ГОСТ 10994 в 4,3 и 1,9 раза соответственно. На основе указанных решений для повышения срока службы узлов оборудования тепловых электростанций, работающих в условиях газовой коррозии, разработаны ПП и технологии нанесения жаростойких АДМ-покрытий. Сделаем следующие выводы: 1. Установлено, что как для сплавов базовой системы легирования Fe-Cr-Al, так и для металлизационных покрытий введение титана и кремния позволяет предотвратить формирование железохромистых карбидов (Fe,Cr)7C3 и нитридов алюминия (AlN) и протекание локальной высокотемпературной коррозии, а введение иттрия - сегрегацию серы на границе раздела за счет формирования сульфидов Y2S3. В отличие от стандартных хромоалюминиевых сплавов, для металлизационных покрытий указанные эффекты достигаются при введении в состав шихты порошковых проволок повышенного количества титана и кремния, что связано с условиями их формирования при дуговой металлизации. 2. На основе установленных закономерностей разработаны порошковые проволоки системы легирования Fe-Cr-Al-Ti-Si, предназначенные для нанесения жаростойких металлизационных покрытий. Металлизационные покрытия из разработанных порошковых проволок имеют жаростойкость одного уровня с аустенитными сталями и на порядок выше в сравнении с перлитными и мартенситно-ферритными сталями, широко используемыми в котлостроении.

Об авторах

С. В Невежин

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

В. С Верхорубов

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

Г. А Ример

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

А. С Табатчиков

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 27

PDF (Russian) - 10

Ссылки

• Ссылки не определены.