Selection of the optimal composition of plasma coating of the Ni‒B‒Si system by the CALPHAD methods

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Copper and alloys are widely used in parts of metallurgical equipment. Due to high heat capacity and reflectivity of IR radiation, copper parts have found application in water‒cooled blast furnace elements, such as tuyeres, which are subject to active gas‒abrasive, erosive and other types of wear and gas corrosion. Copper and its alloys have low resistance to wear and corrosion. To increase the resistance of copper parts, thermal barrier coatings of the Ni–B–Si, Ni–Cr–Al–Y and ZrO2 systems are offered. However, the first layers of the coating have low adhesion, and consequently, low strength of the first and subsequent layers. Laser remelting solves the problem of adhesion of the first layer to copper and the remaining layers to the fused layer. Using the CALPHAD methods in the TermoCalc software package (software version number 2024.1.132110‒55), the effect of reflow on the properties of the protective coating of the Ni‒B‒Si system was simulated. The following composition was chosen as the base: Ni – 86.97 at.%, B – 6.93 at.%, Si – 6.1 at.%. When laser radiation is applied to a coating applied by the gas‒thermal method, active interaction of the coating components with copper is observed, forming a continuous coating containing new phases and chemical elements. The appearance of some of these phases occasionally leads to cracking due to the formation of a stable compound of copper‒nickel alloy (monel metal), which has relatively low plasticity. Using X‒ray phase analysis data, it was confirmed that during the melting process, active mixing of the coating components (Ni–B–Si) with the substrate components (Cu) occurs, forming a stable compound of Cu with Ni. In this regard, using mathematical modeling, the density changes were predicted and the crystallization rates were determined using the Sheil method, as well as the phases formed during cooling in the coating, namely: Ni86.97‒B6.93‒Si6.1, Ni84.47‒Cu2.5‒B6.93‒Si6.1, Ni81.97Cu5B6.93Si6.1, Ni76.97Cu10B6.93Si6.1, Ni71.97Cu15B6.93Si6.1, Ni66.97Cu20B6.93Si6.1. Using calculation methods, based on the provisions of thermodynamics, the process of laser melting is described during heating from 1750 K to 3000 K and subsequent cooling from 1750 K to 500 K. When studying the melting process, for all compositions it was determined that a copper content in the coating of about 15‒20 at.% is favorable for the formation of a good quality coating, since at these concentrations the most complete release of copper atoms from the grain boundaries occurs, their transition to the surface layers of the coating and their binding with nickel into stable compounds of the monel‒metal type.

Full Text

Restricted Access

About the authors

I. S. Bakhteev

Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin

Author for correspondence.
Email: igor.bakhteev@urfu.ru
Russian Federation, Mira st., 32, 620002, Ekaterinburg

K. I. Oleinik

Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin; Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: igor.bakhteev@urfu.ru
Russian Federation, Mira st., 32, 620002, Ekaterinburg; Amundsen st., 101, 620016, Ekaterinburg

K. S. Litvinyuk

South Ural State University (national research university)

Email: igor.bakhteev@urfu.ru
Russian Federation, 76 Lenin Av., 454080, Chelyabinsk

E. L. Furman

Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin

Email: igor.bakhteev@urfu.ru
Russian Federation, 32, Mira st., 620002, Ekaterinburg

R. M. Valiev

Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin

Email: igor.bakhteev@urfu.ru
Russian Federation, 32, Mira st., 620002, Ekaterinburg

References

  1. Appiah A. N. S., Wyględacz B., Matus K, Reimann Ł., Bialas O., Batalha G. F., Czupryński A., Adamiak M. Microstructure and performance of NiCrBSi coatings prepared by modulated arc currents using powder plasma transferred arc welding technology // Applied Surface Science. 2024. 648. №159065.
  2. Ranjan R., Das A. K. Protection from corrosion and wear by different weld cladding techniques // Materials Today: Proceedings. 2022. 57 (4). P. 1687–1693.
  3. Zhuk V.I. Analiz teplovoj raboty vozdushnyh furm domennoj pechi [Analysis of thermal work o blast furnace air tuyeres] // Vestnik Priazovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2002. № 12. P. 25–30. [In Russian]
  4. Li G., Huang P., Cheng P., Wu W., Zhang Y., Pang Zh., Xu Q., Zhu K., Zou X., Li R. Analysis of the failure mechanism of a blast furnace tuyere sleeve with protective coating // Engineering Failure Analysis. 2023. 153. 107537.
  5. Chai Y.‒F., Zhang J., Ning X.‒J., Wei G.‒Y., Chen Y.‒T. Mechanism Research on Melting Loss of Coppery Tuyere Small Sleeve in Blast Furnace // High Temperature Materials and Processes. 2015. № 4.
  6. Oleinik K.I., Bakhteev I.S., Russkikh A.S., Osinkina T.V., Zhilina E.M. Naplavlenie mnogokomponentnyh splavov, soderzhashchih tugoplavkie metally [Surfacing of multicomponent alloys containing refractory metals] // Rasplavy (Melts). 2024. №1. С. 90–100. [In Russian]
  7. Chamkaur J., Sidhu B. S., Kumar P., Sidhu H. Performance of hardfaced/heat treated materials under solid particle erosion: A systematic literature review // Materials Today: Proceedings. 2022. 50. Part 2. P. 629–639.
  8. Samedov E. M. Povyshenie iznosostojkosti vozdushnyh furm domennyh pechej putem sozdaniya zashchitnogo alyuminievogo gazotermicheskogo pokrytiya : diss... kand. tekhnich. nauk : 05.02.13 [Increasing the wear resistance of blast furnace air tuyeres by creating a protective aluminum thermal spray coating: diss... Cand. tech. sciences: 05.02.13] / Moscow state evening metallurgical institute. 2007. [In Russian]
  9. Cubero Á., Martinez, E., Fuente G. F., Cano, I. G., Dosta S. Angurel, L. Large enhancement of thermal conductance at ambient and cryogenic temperatures by laser remelting of plasma‒sprayed Al2O3 coatings on Cu // Materials Research Bulletin. 2021. 143. 111450.
  10. Tahaei A., Vanani B. B., Abbasi M., Arizmendi‒Morquecho A. The hardfacing properties of the nickel‒based coating deposited by the PTA process with the addition of WC nano‒particles: Wear investigation // Tribology International. 2024. 193. 109472.
  11. Guo H., Li B., Lu C., Zhou Q., Jia J. Effect of WC–Co content on the microstructure and properties of NiCrBSi composite coatings fabricated by supersonic plasma spraying // Journal of Alloys and Compounds. 2019. 789. P. 966 –975.
  12. Jia D., Zhou D., Yi P., Zhang S., Zhan X., Liu Y. Effect of laser‒textured substrate on adhesion and microstructure of deposited Mo–NiCrBSiCFe coating // Journal of Alloys and Compounds. 2024. 29. P. 2072–2082
  13. Yongfei J., Li J., Jiang Y.Q., Jia W.L., Lu, Z.J. Modified criterions for phase prediction in the multi‒component laser‒clad coatings and investigations into microstructural evolution/wear resistance of FeCrCoNiAlMox laser‒clad coatings // Applied Surface Science. 2019. 465. P. 700–714.
  14. Balaguru S., Gupta M. Hardfacing studies of Ni alloys: A Critical Review // Journal of Materials Research and Technology. 2021. 10. P. 1210–1242.
  15. Gu D., Meiners W., Wissenbach K., Poprawe R. Laser additive manufacturing of metallic components: Materials, processes and mechanisms // International Materials Reviews. 2012. 57. №3. P. 133–164.
  16. Li N., Huang S., Zhang G., Qin R.Y., Liu W., Xiong H., Shi G., Blackburn J. Progress in additive manufacturing on new materials: A review // Journal of Materials Science & Technology. 2019. 35. №2. P. 242–269.
  17. Kefeni K., Msagati T. A. M., Mamba B. Ferrite nanoparticles: Synthesis, characterisation and applications in electronic device // Materials Science and Engineering: B. 2017. 215. P. 37–55.
  18. Wang T., Zhang J., Zhang Y., Chen S., Luo Z., Wu J., Zhu L., Lei J. Improving wear and corrosion resistance of LDEDed CrFeNi MEA through addition of B and Si // Journal of Alloys and Compounds. 2023. 968. 172223.
  19. Lyu Y., Sun Y., Yang Y. Non‒vacuum sintering process of WC/W2C reinforced Ni‒based coating on steel // Metals and Materials International. 2016. 22. P. 311–318.
  20. Zhang Z., Wang H. D., Xu B.S., Zhang G. S. Characterization of microstructure and rolling contact fatigue performance of NiCrBSi/WC–Ni composite coatings prepared by plasma spraying // Surface and Coatings Technology. 2015. 261. P. 60–68.
  21. Kılıçay K., Buytoz S., Ulutan M. Microstructural and tribological properties of induction cladded NiCrBSi/WC composite coatings // Surface and Coatings Technology. 2020. 397. 125974.
  22. Zhang L., Tianlu G., Zhou Z., Jiao K., Zhang J., Chen Y. Examination of factors and mechanisms contributing to surface wear on copper cooling staves within large blast furnaces // Engineering Failure Analysis. 2023. 157. 107922.
  23. Rose D., Forth J., Henein H., Wolfe T., Qureshi A. J. Automated semantic segmentation of NiCrBSi‒WC optical microscopy images using convolutional neural networks // Computational Materials Science. 2022. 210. 111391.
  24. Huang H., Singh S., Juhasz A., Roccisano A., Ang A., Stanford N. Influence of Copper Distribution in Thermally Sprayed Cu‒Bearing Coatings on Corrosion and Microbial Activity. // Surface and Coatings Technology. 2024. 478. 130430.
  25. Hu D., Yan L., Chen H., Liu J., Mengchao W., Deng L. Microstructure and properties of Ta‒reinforced NiCuBSi + WC composite coating deposited on 5Cr5MoSiV1 steel substrate by laser cladding // Optics & Laser Technology. 2021. 142. 107210.
  26. Texier D., Ecochard M., Gheno T., Monceau D., Salem M., Lours, P. Screening for Al2O3 failure in MCrAlY APS coatings using short‒term oxidation at high temperature // Corrosion Science. 2021. 184. 109334.
  27. Zhang J., Wang R., Hu R., Zhang C., Li G., Zhang Y., Wu W. Failure mode and mechanism of a blast furnace tuyere // Engineering Failure Analysis. 2022. 137. 106294.
  28. Zhang Z., Hao B., Chen H., Yuan H., Li L., Zhong M. Effect of granulometric composition of raw materials on performance of ceramic coating on copper prepared by slurry method // Surface and Coatings Technology. 2021. 417. 127178.
  29. Kratkij spravochnik fiziko‒himicheskih velichin [Brief reference book of physical and chemical quantities] / Comp. N. M. Baron, E. I. Kvyat, E. A. Podgornaya and others; Ed. K. P. Mishchenko and A. A. Ravdelya. 6th ed., revis. and add. Leningrad: Chemistry. Leningr. Department. 1972. [In Russian]
  30. Bogomyagkov A.V. Pustovalov O.D., SHumkov A.A., Kajgorodov A.K., Milovanov R.S. Vliyanie himicheskogo sostava na zhidkotekuchest’ alyuminievoj bronzy [Effect of chemical composition on the fluidity of aluminum bronze] // Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj Akademii nauk [Bulletin of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences] 2015. 17. №2 (4). [In Russian]
  31. Osincev O.E., Fedorov V.N. Med’ i mednye splavy. Otechestvennye i zarubezhnye marki spravochnik [Copper and copper alloys. Domestic and foreign brands reference book] / 2nd ed., revised and enlarged. Moskva : Innovacionnoe mashinostroenie [Moscow: Innovative mechanical engineering]. 2016. [In Russian]
  32. Bahteev I. S., Oleinik K. I., SHak A. V., Furman E. L., Valiev R. M., Vopneruk A. A. Otrabotka rezhimov lazernogo oplavleniya gazotermicheskogo pokrytiya [Development of laser melting modes of gas‒thermal coating] // Rasplavy (Melts). 2024. №4. С. 451–466. [In Russian]

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Using the Sheil method, phase compositions were obtained at a melting rate of 0.033 m/s [32] in the temperature range of 1300 – 800 K.

Download (886KB)
3. Fig. 2. Change in the volume fraction of phases: a – FCC_L12, b – FCC_L12#2, depending on the copper content from 2.5 to 20.0 at. % in the fused Ni‒B‒Si coating.

Download (181KB)
4. Fig. 3. X-ray phase analysis (XPA) of a copper substrate.

Download (81KB)
5. Rice. 4. X-ray phase analysis (XRD) of the fused Ni‒B‒Si coating.

Download (103KB)

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».