Порошковые проволоки Fe-Cr-Al для дуговой металлизации жаростойких покрытий

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 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, крем- ния и иттрия может оказывать влияние, аналогичное приведенному 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 ∅ 2,0 мм с оболочкой из низкоуглеродистой стали, с различным содержанием кремния, титана и иттрия. Расчетный химический состав покрытий из проволоки ППХ15Ю5СТ, мас. % 17,5 Cr; 6,0 Al; 1,0 Si; 1,0 Ti; Fe осн.; из проволоки ППХ15Ю5СТ2И, мас. % 17,5 Cr; 6,0 Al; 1,4 Si; 2,7 Ti; 0,5 Y; 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].

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. Поэтому в работе контроли- ровали однородность шихты ПП, для которой определяли угол естественного откоса и коэффициент сыпучести [6].

С учетом результатов исследований [6], 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 составам 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 х 20 х 3±0,1 мм из стали 12Х1МФ наносили гальваническое никелевое покрытие толщиной 10 мкм. Никель удалялся САО со стороны пластины 30 х 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 ТУ14-3Р-55. Более того, удельное изменение массы образцов покрытий сопоставимо со значениями для аусте- нитных сталей 12Х18Н12Т и 20Х23Н18 ГОСТ 5632, используемых в котлостроении [7].

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 в фазах вида Al₂O₃ порядка 4 мас. %, в покрытиях из ППХ15Ю5СТ2И 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 [8] 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) 2 O 3 , (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 Al 2 O 3 – 0 мас. %, тогда как для покрытия – превышает 0,07 мас. %, что может свидетельствовать о формировании сульфидов Y 2 S 3 на границе раздела «оксидная пленка –покрытие» при легировании последнего иттрием. Таким образом, можно сделать заключение, что добавка иттрия способствует благоприятному нахождению серы в покрытии. Она присутствует в виде сульфидов Y₂S₃, что снижает ее сегрегацию на границе раздела.

Для хромоалюминиевых сплавов за счет легирования кремнием и титаном предотвращается формирование железохромистых карбидов (Fe,Cr) 7 C 3 и нитридов алюминия AlN, являющихся инициаторами ЛВК [3], а за счет легирования иттрием повышается адгезия оксидной пленки Al 2 O 3 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 их жаростойкости. Следует отметить, что для покрытий указанный эффект достигается при введении в состав шихты ПП базовой системы легирования Fe–Cr–Al большего количества титана и кремния в сравнении со стандартным хромоалюми-ниевым сплавом Х15Ю5 по ГОСТ 10994, в 4,3 и 1,9 раза соответственно.

На основе указанных решений для повышения срока службы узлов оборудования ТЭС, работающих в условиях газовой коррозии, разработаны ПП и технологии нанесения жаростойких АДМ-покрытий.

Выводы

• 1.    Установлено, что как для сплавов базовой системы легирования Fe–Cr–Al, так и для металли-зационных покрытий, введение титана и кремния позволяет предотвратить формирование железо-

• Коробов Ю.С., Филиппов М.А., Табатчиков А.С. и др.

• 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 мар-тенситно-ферритными сталями, широко используемыми в котлостроении.

хромистых карбидов (Fe,Cr) 7 C 3 и нитридов алюминия (AlN) и протекание локальной высокотемпературной коррозии, а иттрия – сегрегацию серы на границе раздела за счет формирования сульфидов Y 2 S 3 . В отличие от стандартных хромоалю-миниевых 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.