Цель проекта: Разработка технологического процесса упрочнении шиберных задвижек путем нанесения покрытий WC-Co-Cr с высокой стойкостью к износу, эрозии и коррозии методом высокоскоростного кислородно-топливного напыления (HVOF), а также изучение закономерностей формирования структуры и свойтсв покрытий WC-Co-Cr в зависимости от режимов напыления.

Наименование приоритетного направления развития науки, по которому подается заявка: 1. Энергетика и машиностроение

Наименование специализированного научного направления, по которому подается заявка, вид исследований: 1.3. Транспортное, сельскохозяйственное, нефтегазовое и горно-металлургическое машиностроение. 

Классификатор научных направлений: Инжиниринг технологии – Инжиниринг материалов – Покрытия и пленки (прикладные исследования).

Годы реализации проекта: 2022-2024гг.

Актуальность. Одной из главных технических задач транспортировки нефти и нефтепродуктов является создание высокоорганизованной системы коммуникаций трубопроводного транспорта, обеспечивающего высокую надежность и полную экологическую безопасность. Это можно обеспечить созданием и изготовлением качественной трубопроводной арматуры и других элементов системы трубопроводного транспорта применением высокопрочных и износостойких материалов.

В рамках данного проекта предполагается разработать промышленную технологию высокоскоростного кислородно-топливного напыления (HVOF) покрытий WC-Co-Cr с высокими физико-механичекими и служебными характеристиками для упрочнения деталей турбопроводной арматуры, используемой в нефтяной промышленности. Предлагаемая в данном проекте технология HVOF и покрытия WC-Co-Cr являются современными, хорошо обоснованными и могут быть внедрены в производство в приемлемый промежуток времени. В результате проводимых исследований будет разработана научная основа получения покрытий WC-Co-Cr методом высокоскоростного кислородно-топливного напыления (HVOF), будут получены новые фундаментальные данные о влиянии размера и состава порошка, соотношение газов, дистанции напыления и других технологических параметров на структуру и трибологические свойства покрытия из WC-Co-Cr.

Результаты за 2022 год:

• Отработана методика высокоскоростного кислородно-топливного напыления (HVOF) покрытий WC-Co-Cr. Определены оптимальные режимы получения покрытий WC-Co-Cr с низкой пористостью и высокой адгезионной прочностью. Проведена серия экспериментов по нанесению покрытий WC-Co-Cr на поверхности стали 30Х13 при различных скоростях потока частиц и при разных дистанциях напыления. Также изучено влияние предварительного нагрева подложки на адгезионную прочность покрытий. Эксперименты по нанесению покрытий осуществлялись на базе ТОО «PlasmaScience» на установке высокоскоростного кислородно-топливного напыления HVOF Termika-3. Определение пористости покрытий осуществлялось методом гидростатического взвешивания, а также по фотографиям микроструктуры с использованием специального программного обеспечения. Испытание покрытий на адгезионную прочность осуществлялось методом отрыва. На основе проведенных экспериментальных работ был определен оптимальный режим нанесения покрытий WC-Co-Cr на поверхности стали 30Х13, которая применяется для изготовления шиберной арматуры. Выбранный режим позволяет получить покрытие WC-Co-Cr с низкой пористостью и высокой адгезионной прочностью.
• Изучено влияние размера исходных порошков на микроструктуру, фазовый состав, твердость и износостойкость покрытий WC-Co-Cr. Для получения покрытия был применен порошок WC-Co-Cr (WC-86%, Co-10%, Cr – 4%, компания АО «Полема», г. Тула, Россия) с тремя разновидностями фракций: 20-30 мкм, 30-40 мкм и 40-50 мкм. Разделение порошка на фракции было проведено на просеивающей машине Retsch AS200 control. Для исследования полученных покрытий были использованы следующие методы: сканирующая электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, измерение микротвердости по Виккерсу, испытания износостойкости по схеме шар-диск. Результаты показали, что размер порошка влияет на морфологию поверхности и шероховатость, а на фазовый состав не влияет. С увеличением размера порошка ухудшается шероховатость. Уменьшение размера порошка приводит к увеличению микротвердости. Это связано с тем, что мелкие частицы порошка размером менее 20 мкм имели тенденцию к перегреву во время напыления, что, в свою очередь, способствовало окислению, обезуглероживанию карбидов и образованию хрупкой фазы W₂C. При использовании крупных частиц порошка размерами 30-40 мкм и 40-50 мкм порошки при напылении полностью не расплавились и это привело к увеличению количества фаз WC, равномерно распределенных в Co-Cr-матрице, что способствовало повышению износостойкости покрытий. Самую высокую износостойкость показали покрытия, полученные с использованием порошка размером 30-40 мкм. Таким образом, на основе полученных результатов был определен оптимальный размер порошка для нанесения покрытий WC-Co-Cr с высокой износостойкостью.

Результаты за 2023 год:

1. Была проведена серия экспериментов по нанесению покрытий WC-Co-Cr на поверхности стали 30Х13 при разных соотношение газов, различных дистанциях напыления, различных скоростях газового потока и различных скоростях подачи порошков. Были изучены микроструктура, фазовый состав и триболгические свойства полученных покрытий. Расстояние напыления, соотношение топливо/кислород и скорость подачи порошка оказывали значительное влияние на морфологию и трибологические свойства полученных покрытий. Микроскопическое наблюдение поперечных сечений покрытия, полученные на среднем расстоянии выявило относительно гладкую и плотную структуру, никаких признаков расслоения или других неоднородностей не наблюдалось. Рентгенофазовый анализ выявил во всех покрытиях присутствие гексагонального WC, а также образование новых карбидов. Трибологические испытания на износ проводились на машине трения с использованием стандартной методики «возвратно-поступательное движение», где в качестве контртела использовали шарик SiC диаметром 3,969 мм и твердостью HV = 2800 мм был прижат грузами (с силой Fn) к поверхности образца.

2. Был проведен вакуумный отжиг для определения структурно-фазовых превращений износостойкого покрытия WC-Co-Cr в зависимости от температуры. Исследование проводилось при вакуумном отжиге в диапазоне температур от 800 до 1300°C. Образцы отжигались в высоком вакууме -0.1МПа (0.1 атм.) в муфельной печи VMF4-17PX с нагревателями Mosi2 высокого качества. Отжиг проводился следующим образом: образец нагревали в вакууме в течение 1 часа при определенной температуре и охлаждали в этом же вакууме. Фазовый состав покрытия WC-Co-Cr до и после отжига изучался с использованием метода рентгеноструктурного анализа на рентгеновском дифрактометре Х’PertPRO (Philips Corporation, Амстердам, Нидерланды) с Cu-K_α-излучением (λ = 0,154 нм), напряжение 40 кВ и ток 30 мА. Расшифровку дифрактограмм проводили с помощью программы PDWin, измерения проводились в диапазоне 2θ от 10° до 100°, для экспериментов ширина шага и время экспозиции были установлены на 0,05° и 3 с для каждого шага.

3. Были изучены коррозионные и эрозионные характеристики покрытий WC-Co-Cr. Электрохимическая коррозия была исследована с использованием потенциостата CS300 в растворе NaCl с концентрацией 3,5 мас.% при комнатной температуре. Образцы были плотно заключены в непроводящую эпоксидную смолу, задней стороной образца припаяны к проводу, оставляя только область 0,5 см², открытую для электролита. В электрохимических испытаниях в качестве вспомогательного электрода были использованы платина (Pt) и в качестве электрода сравнения хлорсеребрянные электроды соответственно. Перед измерением потенциала холостого хода (ОСР) поверхность покрытия погружали в 3,5% -ный раствор NaCl на 60 мин, чтобы обеспечить полное смачивание для стабилизации потенциала. Как только ОСР стабилизировалась, были измерены кривые потенциодинамической поляризации со скоростью сканирования 1 мВ/с. Потенциал коррозии (Ecorr) и плотность тока коррозии (Icorr) были получены как точка пересечения линейных аппроксимаций анодной и катодной поляризационных кривых в соответствии с методом экстраполяции Тафеля. На каждом образце было выполнено не менее трех серий измерений, чтобы обеспечить воспроизводимость результатов эксперимента. Испытания на эрозионную стойкость при комнатной температуре проводились на специальном стенде в соответствии с ASTM G76-04.

Результаты на 2024 год:

1. Была разработана автоматизированная линия для нанесения HVOF-покрытий на детали шиберных задвижек. Для обеспечения точного позиционирования HVOF-горелок был разработан специализированный манипулятор, обладающий возможностью перемещения горелки по осям X и Y. Данный манипулятор обеспечивает получение однородных и качественных покрытий, благодаря высокой точности и повторяемости движений. Использование такого манипулятора способствует улучшению равномерности нанесения покрытий и повышению общей эффективности процесса. Для получения нескольких покрытий одновременно была разработана специальная стойка, оснащенная механизмом для закрепления образцов, который включает закрывающиеся и открывающиеся шторы. Шторы данной стойки обеспечивают стабильность процесса нанесения покрытия и защищают поверхность закрепленных образцов от преждевременного нагрева. Все компоненты линии работают в единой автоматизированной системе, что обеспечивает высокую производительность и стабильность процесса нанесения HVOF-покрытий на детали шиберных задвижек.

2. Также были проведены стендовые испытания деталей шиберной задвижки с покрытием на основе WC-Co-Cr для оценки эксплуатационных характеристик разработанных покрытий. Испытания проводились на специализированном стенде «ГИДРОКОЛЬЦО» (рис.1). Основные компоненты стенда состоят из резервуара объемом 2000 литров, насоса высокого давления, шиберной задвижки с программируемым электрическим приводом, манометра для контроля давления жидкости, а также двух шаровых краневых узлов и трубы диаметром 32 мм. Принцип работы установки заключался в том, что насос подавает воду под высоким давлением на шиберную задвижку, которая периодически закрывалась и открывалась в соответствии с заданным циклом. Это позволяет оценить износостойкость шиберов при циклических нагрузках. В качестве рабочей жидкости использовалась вода с содержанием твердых частиц не более 0,2 микрона, а температура окружающей среды во время испытаний составляла 25°C. Для эксперимента было использовано пять шиберов, на поверхность которых методом HVOF было нанесено покрытие на основе карбида вольфрама с добавками кобальта и хрома (WC-Co-Cr), при этом расстояние напыления варьировалось от 100 мм до 500 мм с шагом в 100 мм. Испытания проводились на пяти шиберах, изготовленных из стали 30Х13 с нанесенным покрытием WC-Co-Cr. Толщина полученных покрытий варьировалась в пределах от 176 до 228 мкм. Шиберы с напылением при средних расстояниях (200–300 мм) продемонстрируют наилучшие результаты по итогам цикла 55, обеспечивая оптимальное сочетание твердости, износостойкости и устойчивости к трещинообразованию. В то же время покрытие, полученное при напылении на расстоянии 500 мм, оказалось непригодным для дальнейшей эксплуатации после завершения 55 циклов из-за нарушения герметичности шеберной задвижки.

В рамках данного проекта были опубликованы две статьи в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus и имеющих процентиль по показателю CiteScore не менее 35, а еще одна статья находится на рассмотрении:

• Rakhadilov, B., Muktanova, N., Kakimzhanov, D., Satbayeva, Z., Kassenova, L., & Magazov, N. (2024). Investigation of the Influence of Powder Fraction on Tribological and Corrosion Characteristics of 86WC-10Co-4Cr Coating Obtained by HVOF Method. Coatings, 14(6), 651. https://doi.org/10.3390/coatings14060651
• Rakhadilov, B., Muktanova, N., Kakimzhanov, D., Adilkanova, M., Kurbanbekov, S., & Abdulina, S. (2024). Influence of Varying the Spraying Distance on the Structural-Phase State and Mechanotribological Properties of 86WC-10Co-4Cr-Based Coatings Obtained by the HVOF Method. Coatings, 14(3), 264. https://doi.org/10.3390/coatings14030264
• Bauyrzhan Rakhadilov, Nazerke Muktanova, Dauir Kakimzhanov, Aidar Kengesbekov and Aiym Nabioldina. Investigation of the influence of oxygen flow rate on mechanical, structural and operational properties of 86WC-10Co-4Cr coatings obtained by HVOF method (находится на рассмотрении)

А также, были опубликованы две статьи в отечественном издании, рекомендованном Комитетом по обеспечению качества в сфере образования и науки (КОКСОН):

• B. K. Rakhadilov, N. Muktanova, D. N. Kakimzhanov, P. Kowalewski. (2024). Effect of HVOF method spraying parameters on phase composition and mechanical and tribological properties of 86WC-10Co-4Cr coating. Bulletin of the Karaganda university, Physics Series.
• Рахадилов Б.К., Мұқтанова Н., Какимжанов Д.Н. (2024). Влияние варьирования расстояния напыления на структурно-фазовое состояние и механо-трибологические свойства покрытий на основе 86WC-10Co-4Cr, полученных методом HVOF. Вестник НЯЦ РК, выпуск 3.

Исследовательская группа:

Руководитель проекта - Кылышканов М.К., д.ф.-м.н., профессор, Scopus Author ID: 6507410084

Ведущий научный сотрудник - Рахадилов Б.К., PhD, ассоциированный профессор — Scopus Author ID:55539741700;

Научный сотрудник - Мұқтанова Н., докторант PhD; Scopus Author ID: 58959124900;

Научный сотрудник - Какімжанов Д.Н., докторант PhD, Scopus Author ID: 57221761416;

Инженер - Молбосынов Е.С.