agroengineeringАгроинженерияAgricultural Engineering (Moscow)2687-11492687-1130РГАУ-МСХА10.26897/2687-1149-2023-1-71-76agroengineering-520Research ArticleТЕХНИЧЕСКИЙ СЕРВИС В АПКTECHNICAL SERVICE IN AGRICULTUREФизико-механические свойства керамических покрытий, получаемых короткоимпульсной лазерной наплавкой порошковой смеси на основе бораPhysico-mechanical properties of ceramic coatings obtained by short-pulse laser surfacing of a boron-based powder mixturehttps://orcid.org/0000-0003-2637-4214ИпатовА. Г.IpatovA. G.

Алексей Геннадьевич Ипатов, канд. техн. наук, доцент

426069

ул. Студенческая, 11

Ижевск

Aleksei G. Ipatov, CSc (Eng), Associate Professor

1426069

1, Studentskaya Str.

Izhevsk

Ipatow.al@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6573-0950ЕрохинМ. Н.ErokhinM. N.

Михаил Никитьевич Ерохин, академик РАН, д-р техн. наук, профессор

127434

ул. Тимирязевская, 49

Москва

Scopus Author ID: 57209270588

Mikhail N. Erokhin, Full Member of the Russian Academy of Sciences; DSc (Eng) Professor

127434

49, Timiryazevskaya Str.

Moscow

Scopus Author ID: 57209270588

n.erohin@rgau-msha.ruКазанцевС. П.KazantsevS. P.

Сергей Павлович Казанцев, д-р техн. наук, профессор

127434

ул. Тимирязевская, 49

Москва

Scopus Author ID: 57209268547

Sergey P. Kazantsev, DSc (Eng), Professor

127434

49, Timiryazevskaya Str.

Moscow

Scopus Author ID: 57209268547

smdm@rgau-msha.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1478-5876ДородовП. В.DorodovP. V.

Павел Владимирович Дородов, д-р техн. наук, доцент

426069

ул. Студенческая, 11

Ижевск

Pavel V. Dorodov

1426069

1, Studentskaya Str.

Izhevsk

pvd80@mail.ruМалининА. В.MalininA. V.

Александр Васильевич Малинин, аспирант

426069

ул. Студенческая, 11

Ижевск

Aleksandr V. Malinin, postgraduate student

1426069

1, Studentskaya Str.

Izhevsk

alexander123799@gmail.comУдмуртский государственный аграрный университетРоссияUdmurt State Agrarian UniversityRussian FederationРоссийский государственный аграрный университет – МСХА имени К. А. ТимирязеваРоссияRussian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural AcademyRussian Federation2023120320232517176Copyright © Ипатов А.Г., Ерохин М.Н., Казанцев С.П., Дородов П.В., Малинин А.В., 20232023Ипатов А.Г., Ерохин М.Н., Казанцев С.П., Дородов П.В., Малинин А.В.Ipatov A.G., Erokhin M.N., Kazantsev S.P., Dorodov P.V., Malinin A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://agroengineering.timacad.ru/jour/article/view/520

   Традиционные технологии восстановления деталей, реализуемые в современном ремонтном производстве, не в состоянии обеспечить их необходимую износостойкость в связи с отсутствием современной номенклатуры присадочных материалов с высокими прочностными и технологическими свойствами. Вопросы поиска инновационных материалов и технологий их нанесения на поверхности изношенных деталей являются актуальными и требующими фундаментального исследования. Исследовались физико-механические свойства керамических покрытий, полученных короткоимпульсной лазерной обработкой композиций 5 составов: на основе карбида бора B4C, дополнительно легированных нитридом бора (0…40 % BN), оксидом магния (2…10 % MgO) и лития (5…25 % LiO). Лабораторные образцы покрытий получали на поверхности образцов из сталей 40Х, 35ХГСА. Научная новизна исследований заключается в применении технологий селективного лазерного спекания при формировании тонких покрытий (до 200 мкм) в условиях короткоимпульсного лазерного оплавления порошковых сред. Физико-механические свойства керамических покрытий оценивались на основе анализа микротвёрдости, микроструктуры и трибологических показателей работоспособности с использованием современных методик и приборного обеспечения. Результаты исследований подтверждают возможность практической реализации покрытий на основе керамических соединений. Многослойное керамическое покрытие (B4C-BN-MgO-Li2O) толщиной до 200 мкм показало хорошую прирабатываемость, низкий коэффициент трения (0,18) и возможность работы в условиях высоких динамических нагрузок при отсутствии интенсивной смазки. Структура керамических покрытий без видимых дефектов имеет плотную адгезионную зону. Результаты физико-механических свойств керамических покрытий имеют высокий научный потенциал и практическую значимость, а их применение позволит повысить долговечность деталей машин в условиях эксплуатации.

   Modern repair production that implements traditional technologies for making restorative coatings has lost its relevance, since it cannot provide the necessary physical and mechanical properties of the coatings. The problem is that in modern metallurgy there is no line of repair additive materials with high strength and technological properties. Therefore, the issues of searching for innovative materials and technologies for their application on the surface of worn parts are relevant and require fundamental research. The aim of the work is to study the physical and mechanical properties of ceramic coatings obtained by short-pulse laser treatment. To achieve this goal, ceramic compositions based on boron carbide, additionally doped with boron nitride (0 to 40 % BN), magnesium oxide (2 to 10 % MgO) and lithium (5 to 25 % LiO), were used. The scientific novelty of the research lies in the application of selective laser sintering technologies in the formation of thin coatings (up to 200 μm) under conditions of a short-pulse laser refl ow of powder media. To assess the physical and mechanical properties, laboratory research methods were used, in particular, analysis of the microhardness of the created restorative coatings, microstructure and tribological performance indicators using modern techniques and instrumentation. The research results confirm the possibility of practical implementation of restorative coatings based on ceramic compounds. The multi-layer ceramic coatings (B4C–BN–MgO–Li2O) up to 200 μm thick showed good workability, low coeffi cient of friction (0.18) and the ability to work under high dynamic loads in the absence of intensive lubrication. The structure of the coatings has a dense adhesive zone with no visible defects. The presented results of studying the physic-mechanical properties of ceramic coatings have high research credentials and practical signifi cance, and their application will improve the durability of machine parts in the conditions of their operation.

керамические покрытияфизико-механические свойства керамических покрытийкоэффициент трениятвердостьоднослойное керамическое покрытиемногослойное керамическое покрытиеB4CBNMgOLiOceramic coatingsphysical and mechanical properties of ceramic coatingsfriction coefficienthardnesssingle layer ceramic coatingmultilayer ceramic coatingB4CBNMgOLiOReferencesВеличко С. А. Пути повышения межремонтного ресурса силовых гидроцилиндров / С. А. Величко, П. В. Сенин, П. В. Чумаков // Ремонт. Восстановление. Модернизация. – 2015. – № 4. – С. 36-41. EDN: TOVGVNVelichko S. A., Senin P. V., Chumakov P. V. Ways to increase the overhaul life of power hydraulic cylinders. Remont. Vosstanovlenie. Modernizatsiya. 2015; 4: 36-41. (In Rus.)Velichko S. A., Senin P. V., Ivanov V. I., Martynov A. V., Chumakov P. V. Formation of thick layer electro-spark coatings for restoring worn-out parts of power hydraulic cylinders. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2017; 53: 116-123. doi: 10.3103/S1068375517020119Velichko S. A., Senin P. V., Ivanov V. I., Martynov A. V., Chumakov P. V. Formation of thick layer electro-spark coatings for restoring worn-out parts of power hydraulic cylinders. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2017; 53: 116-123. doi: 10.3103/S1068375517020119Ерохин М. Н. Износостойкость карбидосодержащих хромовых покрытий, полученных из газовой фазы / М. Н. Ерохин, С. П. Казанцев, Н. Н. Чупятов // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина». – 2017. – № 5 (81). – С. 48-53. doi: 10.26897/1728-7936-2017-5-48-53Erokhin M. N., Kazantsev S. P., Chupyatov N. N. Wear-resistance of carbide-containing chrome coatings obtained from the gas phase. Vestnik of Moscow Goryachkin Agroengineering University. 2017; 5 (81): 48-53. doi: 10.26897/1728-7936-2017-5-48-53 (In Rus.)Kharanzhevskiy E. V., Ipatov A. G., Makarov A. V., Gil’mutdinov F. Z., Soboleva N. N., Krivilyov M. D. Tribological performance of boron-based superhard coatings sliding against different materials. 2021; 477: 203835. doi: 10.1016/j.wear.2021.203835Kharanzhevskiy E. V., Ipatov A. G., Makarov A. V., Gil’mutdinov F. Z., Soboleva N. N., Krivilyov M. D. Tribological performance of boron-based superhard coatings sliding against different materials. 2021; 477: 203835. doi: 10.1016/j.wear.2021.203835Meschter P. J., Opila E. J., Jacobson N. S. Water Vapor-Mediated Volatilization of High-Temperature Materials. Annual Review of Materials Research. 2013; 43: 559-588. doi: 10.1146/annurev-matsci-071312-121636Meschter P. J., Opila E. J., Jacobson N. S. Water Vapor-Mediated Volatilization of High-Temperature Materials. Annual Review of Materials Research. 2013; 43: 559-588. doi: 10.1146/annurev-matsci-071312-121636Ma D., Harvey T. J., Zhuk Y. N., Wellman R. G., Wood, R. J. K. Cavitation erosion performance of CVD W/WC coatings. Wear. 2020; 452-453: 203276. doi: 10.1016/j.wear.2020.203276Ma D., Harvey T. J., Zhuk Y. N., Wellman R. G., Wood, R. J. K. Cavitation erosion performance of CVD W/WC coatings. Wear. 2020; 452-453: 203276. doi: 10.1016/j.wear.2020.203276Волков К. Г. Восстановление и упрочнение рабочей фаски клапана двигателя внутреннего сгорания методом селективной лазерной наплавки (SLM) / К. Г. Волков [и др.] // Ремонт. Восстановление. Модернизация. – 2022. – № 9. – С. 20-26. URL: http://www.nait.ru/journals/number.php?p_number_id=3403Volkov K. G., Ipatov A. G., Kharanzhevskiy E. V., Shmykov S. N. Renewal and strengthening of the ICE valve face with selective laser surfacing (SLS). Remont. Vosstanovlenie. Modernizatsiya. 2022; 9: 20-26. (In Rus.) URL: http://www.nait.ru/journals/number.php?p_number_id=3403Meier С., Penny R. W., Zou Y., Gibbs J. S., Hart A. J. Thermophysical phenomena in metal additive manufacturing by selective laser melting: fundamentals, modeling simulation and experimentation. Annual Review of Heat Transfer. 2017; 20: 241-316. doi: 10.1615/AnnualRevHeatTransfer.2018019042Meier С., Penny R. W., Zou Y., Gibbs J. S., Hart A. J. Thermophysical phenomena in metal additive manufacturing by selective laser melting: fundamentals, modeling simulation and experimentation. Annual Review of Heat Transfer. 2017; 20: 241-316. doi: 10.1615/AnnualRevHeatTransfer.2018019042Ипатов А. Г. Исследование свойств керамических покрытий рабочей фаски клапанов двигателей / А. Г. Ипатов, Е. В. Харанжевский, К. Г. Волков // Сельский механизатор. – 2022. – № 3. – С. 42-44. EDN: JYJSKZIpatov A. G., Haranzhevskij E. V., Volkov K. G. Studying the properties of ceramic coatings of the working chamfer of engine valves. Selskiy mekhanizator. 2022; 3: 42-44. (In Rus.)Kharanzhevskiy E. V., Ipatov A. G., Makarov A. V., Gil’mutdinov F. Z., Soboleva N. N., Krivilyov M. D. Effect of oxygen in surface layers formed during sliding wear of Ni-ZrO2 coatings. Surface and Coatings Technology. 2022; 434: 128174. doi: 10.1016/j.surfcoat.2022.128174Kharanzhevskiy E. V., Ipatov A. G., Makarov A. V., Gil’mutdinov F. Z., Soboleva N. N., Krivilyov M. D. Effect of oxygen in surface layers formed during sliding wear of Ni-ZrO2 coatings. Surface and Coatings Technology. 2022; 434: 128174. doi: 10.1016/j.surfcoat.2022.128174Ипатов А. Г. К обоснованию материала защитно-восстановительного покрытия рабочей поверхности тарелки клапана / А. Г. Ипатов, К. Г. Волков // Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. – 2021. – № 1 (65). – С. 44-50. EDN: GDFFLEIpatov A. G., Volkov K. G. Choosing the material for the protective-and-recovering coating of the valve disc working chamfer. The Bulletin of Izhevsk State Agricultural Academy. 2021; 1 (65): 44-50. (In Rus.)Гавриленко О. О. К вопросу трещиностойкости сверхтвёрдых износостойких покрытий на основе B4C-BN / О. О. Гавриленко [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Материаловедение и новые материалы». – 2021. – № 5 (111). – С. 23-32. EDN: FBLNUUGavrilenko O. O., Krivilyov M. D., Kharanzhevskiy E. V., Ipatov A. G. Сrack resistance of super hard wear-resistant coatings based on B4C-BN. Voprosy Atomnoy Nauki i Tekhniki (Aspects of Nuclear Science And Engineering). Materials Science and New Materials Series. 2021; 5 (111): 23-32. (In Rus.)Дородов П. В. Повышение надежности сельскохозяйственных машин путем оптимизации формы их деталей : Дис. … д-ра техн. наук / П. В. Дородов. – М., 2015. – 327 с. EDN ZGDAUP.Dorodov P. V. Improving the reliability of agricultural machines by optimizing the shape of their parts: DSс (Eng) thesis. Moscow, 2015. 327 р. (In Rus.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.