Аустенитная нержавеющая сталь Благодаря высоким прочностным, вязкостным и коррозионно‑устойчивым свойствам материал широко применяется на атомных электростанциях, однако его износостойкость и твёрдость остаются недостаточно высокими. Чтобы предотвратить абразивный износ, царапины, стирание и коррозию, как правило, требуется… Наплавленный слой Для повышения твёрдости и износостойкости. Традиционно применяемые кобальтовые сплавы, хотя и демонстрируют высокие эксплуатационные характеристики в условиях высоких температур, износостойкости и коррозии, в особых рабочих условиях атомных электростанций подвергаются изотопным превращениям, в результате чего образуется радиоактивный изотоп Co‑60. В последние годы сплавы Ni‑Cr‑B‑Si, обладающие более низкой дозовой нагрузкой по сравнению с кобальтовыми сплавами и хорошей износостойкостью, стали популярной альтернативой кобальтовым сплавам. Эти сплавы традиционно наносятся методами термического напыления и наплавки; для получения плотных наплавочных слоёв также применяют лазерное напыление и различные композитные технологии, однако ряд проблем всё ещё остаётся.

Сварочный наплавленный слой Ni‑Cr‑B‑Si, полученный указанным выше способом, характеризуется неизбежными дефектами — порами, включениями и трещинами. Расплавление основного металла приводит к разбавлению наплавки, что существенно ухудшает её эксплуатационные свойства; крупнозернистая структура также негативно влияет на механические характеристики. Кроме того, хотя для обеспечения металлургического сцепления между наплавленным слоем и основным металлом применяются различные методы переплавки, этот процесс является вторичной операцией формирования, что усиливает разбавление и увеличивает размер зерна, одновременно повышая стоимость и ограничивая применимость к ряду деталей. В свою очередь, граница раздела гетерогенного металлического диффузионного соединения вследствие различий в составе и свойствах подвержена преждевременному разрушению, что делает эту зону наиболее слабым местом.

В ответ на указанные выше проблемы исследовательская группа, сформированная Ланьчжоуским политехническим университетом, провела углублённое исследование с использованием системы in situ‑измерений СЭМ компании Зэюй Технолоджи. Их исследование направлено на изучение механических свойств, микроструктуры и механизма соединения гетерогенного стыка Ni60A‑0Cr18Ni10Ti, полученного методом диффузионного сплавления при горячем изостатическом прессовании (HIP). Соответствующие результаты опубликованы в журнале Materials Characterization под названием «Механические свойства и механизм соединения гетерогенного стыка Ni60A‑0Cr18Ni10Ti, полученного методом диффузионного сплавления при горячем изостатическом прессовании (HIP)», полная версия статьи доступна по ссылке: https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.113748

Основное содержание данной статьи сосредоточено на изготовлении методом диффузионного соединения при помощи горячего изостатического прессования (HIP) Ni60A (Ни‑Кр‑Б‑Си) твёрдое поверхностное покрытие и соединить его с 0Cr18Ni10Ti Обеспечивается связь между аустенитной нержавеющей сталью‑основой, что позволяет формировать разнородное соединение. Основная цель исследования — повысить твёрдость и износостойкость поверхностного слоя, одновременно обеспечивая надёжное металлургическое сцепление с основным материалом, а также уменьшить степень разжижения и предотвратить крупнозернистую структуру, тем самым улучшая эксплуатационные характеристики поверхностного слоя.

В ходе исследования сначала был получен твёрдый поверхностный слой Ni60A, после чего были оценены его микротвёрдость и прочность сцепления. С помощью технологии диффузионного соединения при высоком давлении (HIP) исследователи смогли обеспечить превосходное металлургическое сцепление между твёрдым поверхностным слоем Ni60A и основным материалом 0Cr18Ni10Ti; такое сцепление характеризуется низкой степенью разбавления, что позволяет получать более тонкие и обладающие повышенными эксплуатационными характеристиками поверхностные слои, одновременно снижая затраты.

Далее в исследовании подробно изучены микроструктуры поверхностного твёрдого слоя и соединения, включая фазовый состав и его распределение в различных зонах — твёрдом слое Ni60A, переходной зоне, зоне деформации и матрице из стали 0Cr18Ni10Ti. С помощью таких методов анализа, как рентгеновская дифракция (XRD), сканирующая электронная микроскопия (SEM), электронная дифракция обратного рассеяния (EBSD) и просвечивающая электронная микроскопия (TEM), исследователи выявили структурные особенности в твёрдом слое… КрБ , Cr7C3, Ni3B, Ni3Si и γ‑Ni‑фазы, а также нанотвинки (NTs) и борид Cr2B в переходной зоне и зоне деформации.

Кроме того, в исследовании были изучены механизмы соединения при гипербарическом спекании, включая взаимную диффузию элементов, образование твёрдых растворов и формирование переходной зоны вследствие диффузионно‑индуцированной рекристаллизации (DIR). Авторы предложили двухэтапный механизм гипербарического спекания, включающий первичную поверхностную пластическую деформацию и последующий механизм, контролируемый диффузией.

В исследовании проанализирован механизм разрушения соединения; установлено, что разрушение происходит со стороны твёрдого поверхностного слоя Ni60A на расстоянии около 70 мкм от границы раздела; в этой зоне значительное увеличение твёрдости обусловлено высокой концентрацией выделений Cr7C3. Полученные результаты имеют важное значение для понимания режимов разрушения соединения и оптимизации конструкции твёрдого поверхностного слоя. Таким образом, данная работа представляет всесторонний анализ механических свойств, микроструктуры и механизма связывания разнородного соединения Ni60A–0Cr18Ni10Ti, обеспечивая научную основу для разработки материалов с твёрдым поверхностным слоем, применяемых в условиях высокой радиационной нагрузки, например на атомных электростанциях.

На рисунке ниже представлено устройство для натяжения в режиме in situ, используемое в рамках данного исследования и разработанное компанией Zeyou Technology: