Подбор оптимального состава плазменного покрытия системы Ni‒B‒Si методами CALPHAD

Медь и ее сплавы широко применяются в деталях металлургического оборудования. Из‒за высокой теплоемкости и отражающей способности излучения ИК‒диапазона, детали из меди нашли применение в водоохлаждаемых элементах доменных печей, например, в фурмах, повергающихся активному газо‒абразивному, эрозионному и другим видам износа и газовой коррозии. Медь и ее сплавы имеют низкую стойкость против износа и коррозии. Для увеличения стойкости медных деталей предлагаются термобарьерные покрытия путем последовательного нанесения систем Ni–B–Si, Ni–Cr–Al‒Y и ZrO₂. Однако, первые слои покрытия имеют низкую адгезию, и как следствие, низкую прочность первого и последующих слоев. Лазерное переплавление решает проблему адгезии первого слоя к меди и остальных слоев к оплавленному слою. Используя методы CALPHAD в программном пакете TermoCalc (номер версии программного обеспечения 2024.1.132110‒55) проведено моделирование влияния оплавления на свойства защитного покрытия системы Ni–B–Si. В качестве базового был выбран состав: Ni – 86.97 ат.%, B – 6.93 ат.%, Si – 6.1 ат.%. При воздействии лазерного излучения на покрытие, нанесенное газотермическим методом, наблюдается активное взаимодействие компонентов покрытия с медью с образованием сплошного слоя, содержащего в себе новые фазы и химические элементы. Появление некоторых из этих фаз изредка приводит к растрескиванию вследствие образования медно‒никелевого сплава (монель‒металла), обладающего относительно невысокой пластичностью. С использованием данных рентгенофазового анализа подтверждено, что в процессе оплавления происходит активное перемешивание компонентов покрытия (Ni–B–Si) с компонентами подложки (Cu) с образованием устойчивого соединения Cu с Ni. В связи с этим, при помощи математического моделирования, спрогнозированы изменения плотности и методом Шейла определены скорости кристаллизации, а также фазы, образующиеся при охлаждении в покрытии, а именно: Ni_86.97B_6.93Si_6.1, Ni_84.47Cu_2.5B_6.93Si_6.1, Ni_81.97Cu₅B_6.93Si_6.1, Ni_76.97Cu₁₀B_6.93Si_6.1, Ni_71.97Cu₁₅B_6.93Si_6.1, Ni_66.97Cu₂₀B_6.93Si_6.1. С помощью расчетных методов, исходя из положений термодинамики, описан процесс лазерного оплавления при нагреве от 1750 К до 3000 К и последующем охлаждении от 1750 К до 500 К. При исследовании процесса оплавления, для всех составов определено, что благоприятным для формирования покрытия хорошего качества является содержание меди в покрытии порядка 15–20 ат.%, так как при этих концентрациях происходит наиболее полное высвобождение атомов меди с границ зерен, их переход в приповерхностные слои покрытия и связывание их с никелем в устойчивые соединения типа монель‒металл.