Валерий Николаевич Варавка, доктор технических наук, профессор кафедры материаловедения и технологии металлов, директор НОЦ «Материалы»
344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Valeriy N. Varavka, Dr.Sci. (Eng.), Professor of the Materials Science and Technology of Metals Department, Head of “Materials” Research and Educational Center
1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, 344003, RF
Олег Вячеславович Кудряков, доктор технических наук, профессор кафедры материаловедения и технологии металлов
344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Oleg V. Kudryakov, Dr.Sci. (Eng.), Professor of the Materials Science and Technology of Metals Department
1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, 344003, RF
Вячеслав Игоревич Грищенко, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой гидравлики, гидропневмоавтоматики и тепловых процессов, руководитель ИТЦ «Спектр»
344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Vyacheslav I. Grishchenko, Head of the Hydraulics, Hydropneumoautomatics and Heat Management Department, Head of “Spektr” Technical Engineer Center
1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, 344003, RF
Introduction. In the areas of power engineering where the thermal energy of superheated steam is used, an important aspect of providing the reliability and safety of equipment is the heat resistance of the materials employed. In the manufacture of induction superheaters, the optimal material for the steam pipe (coil) is copper. However, its ultimate resistance to oxidation does not exceed 400 °C, which significantly limits the efficiency of steam generators. Therefore, the objective of the work was to study the kinetics of oxidation of the combined galvanic coating of the Mo-Ni-Cr system applied to copper tubular samples and intended for thermal protection of steam generator coils.
Materials and Methods. A combined electroplating of the Mo-Ni-Cr system with a total thickness of 12–35 μm was formed on the experimental copper tubular samples. A Mo sublayer with a thickness of about 1.5 μm on the surface of the copper tube was formed to prevent the diffusion of Cu into the Ni coating. A 1.5 μm thick chromium layer on the coating surface acted as an indicator of the oxidation process. A comparative analysis of the oxidation processes of the copper surface and the combined coating of the Mo-Ni-Cr system on a copper substrate was carried out using the methods of optical and electron microscopy, energy dispersive analysis, and precision determination of the growth parameters of oxide films.
Results. The intervals of thermal stability of the copper substrate and nickel coating were experimentally determined. The obtained experimental dependences characterized the parabolic law of copper oxidation with the formation of a single-phase diffusion zone of CuO at temperatures above 350 °C, and nickel at temperatures above 750 °C, when the transition of NiO monoxide into oxide Ni2O3 began. The growth of oxide films according to quadratic laws provided a rapid increase in the thickness of the films, the accumulation of stresses in them, cracking, and chipping.
Discussion and Conclusion. It is shown that the Mo-Ni-Cr electroplating is resistant to heating during long-term operation up to temperatures of 750–800 °C. The functional roles of Mo and Cr in the coating architecture were described. The work focused on the applied aspect of using the coating under study to increase the thermal stability of the steam pipelines of industrial induction superheaters with low and medium power.
Введение. В тех областях энергетического машиностроения, где используется тепловая энергия перегретого пара, важным аспектом обеспечения надежности и безопасности оборудования является теплостойкость используемых материалов. При изготовлении индукционных пароперегревателей оптимальным материалом для паропровода (змеевика) является медь. Однако её предельная стойкость к оксидированию не превышает 400 °С, что существенно ограничивает эффективность работы парогенераторов. Поэтому целью работы было исследование кинетики окисления комбинированного гальванического покрытия системы Mo-Ni-Cr, нанесенного на медные трубчатые образцы и предназначенного для теплозащиты змеевиков парогенераторов.
Материалы и методы. На опытных медных трубчатых образцах было сформировано комбинированное гальваническое покрытие системы Mo-Ni-Cr с общей толщиной 12–35 мкм. Подслой Mo толщиной около 1,5 мкм на поверхности медной трубки был сформирован для предотвращения диффузии Cu в Ni-покрытие. Слой хрома толщиной 1,5 мкм на поверхности покрытия выполнял роль индикатора процесса окисления. Сравнительный анализ процессов окисления поверхности меди и комбинированного покрытия системы Mo-Ni-Cr на медной подложке выполнен с использованием методик оптической и электронной микроскопии, энергодисперсионного анализа, а также прецизионного определения параметров роста оксидных пленок.
Результаты исследования. Экспериментально определены интервалы термической устойчивости медной подложки и никелевого покрытия. Полученные экспериментальные зависимости характеризуют параболический закон окисления меди с образованием однофазной диффузионной зоны CuO при температурах выше 350 °С и никеля при температурах выше 750 °С, когда начинается переход монооксида NiO и в оксид Ni2O3. Рост оксидных пленок по квадратичным законам приводит к быстрому увеличению толщины пленок, накоплению в них напряжений, растрескиванию и скалыванию.
Обсуждение и заключение. Показано, что гальваническое покрытие Mo-Ni-Cr устойчиво к нагреву при длительной эксплуатации вплоть до температур 750–800 °С. Описаны функциональные роли Mo и Cr в архитектуре покрытия. Работа акцентирована на прикладном аспекте использования исследуемого покрытия для повышения термической устойчивости змеевика-паропровода промышленных индукционных пароперегревателей малой и средней мощности.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.