Поведение при горячей коррозии и циклическом окислении композитных покрытий CoMoCrSi + Cr₃C₂ на стали MDN 420, нанесённых методом HVOF

Защита металлов в условиях сильного нагрева

Современные двигатели, электростанции и промышленные котлы работают при таких высоких температурах и в настолько агрессивной среде, что металлические детали со временем фактически выжигаются. Замена этих компонентов дорого обходится и связана с рисками. В этом исследовании изучается специальное защитное покрытие, напыляемое на распространённую высокопрочную сталь, которое призвано предохранять детали от ржавчины, трещин и разрушения при воздействии интенсивного нагрева и агрессивных солевых отложений.

Почему горячий металл разрушается

Во многих турбинах, котлах и химических установках металлические детали подвергаются одновременно высоким температурам и коррозионно-активным веществам. Кислород воздуха постепенно образует оксидные слои, тогда как расплавленные соли — например, образующиеся из примесей топлива, содержащих натрий и ванадий — могут атаковать эти оксиды и открывать быстрые пути для дальнейшего повреждения. Оголённая сталь при таких условиях набирает массу по мере роста толстых, чешуйчатых оксидных чешуёв, а затем теряет материал, когда эти чешуи отшелушиваются. Со временем этот цикл нарастания и отслоения приводит к истончению, образованию трещин и отказу критических компонентов.

Новый прочный «кожух» для стали

Исследователи сосредоточились на стали MDN 420 — мартенситной нержавеющей стали, применяемой в жёстких условиях — и покрыли её композитным слоем из кобальта, молибдена, хрома и кремния, армированным твёрдыми частицами карбида хрома. С помощью кислородно‑топливного напыления с высокой скоростью (HVOF) порошок подавался со сверхзвуковыми скоростями на стальные пластины, формируя плотный слой толщиной примерно 0,2 мм. Тщательный контроль процесса напыления обеспечил покрытие с низкой пористостью и шероховатостью поверхности, подходящей для сопротивления износу. Микроскопическое исследование показало компактную структуру с равномерно распределёнными твёрдыми частицами и лишь небольшими трещинами и порами, а измерения твёрдости выявили, что покрытая поверхность более чем в три раза твёрже, чем основная сталь.

Как покрытие противостоит нагреву и солям

Чтобы оценить эффективность покрытия, как покрытые, так и непокрытые образцы стали многократно нагревали до 700 °C и охлаждали — либо в воздухе (для испытаний на окисление), либо в смеси расплавленных сульфата натрия и оксида ванадия (для испытаний на горячую коррозию). В воздухе покрытие способствовало образованию тонких, непрерывных слоёв оксида хрома и кремнезёма на своей поверхности. Эти слои действовали как плотная «кожа», замедлявшая диффузию кислорода внутрь и герметизировавшая микропустоты между распылёнными каплями. В результате покрытые образцы прибавляли в массе существенно меньше, чем голая сталь, то есть на них нарастало значительно меньше оксидов, а скорость окисления оставалась низкой и стабильной в течение 50 циклов.

Что происходит в «соляной ванне»

Испытания в расплавленных солях были гораздо агрессивнее, имитируя условия в котлах и турбинах, где соединения натрия и ванадия могут плавиться и смачивать горячие металлические поверхности. И здесь покрытие показало лучшие результаты по сравнению с оголённой сталью: приросты массы и скорости коррозии были значительно ниже. Однако детальный анализ показал, что соль не просто оставалась на поверхности. Она реагировала с оксидами молибдена и хрома внутри покрытия, образуя сложные соле‑оксидные соединения. Эти новые фазы, такие как молибдат натрия и ванадат натрия, давали пористые, легкоразрушаемые шкалы. Образовывались трещины и ямки по мере испарения летучих оксидов молибдена и локального отслоения защитной «кожи», открывая свежий металл для дальнейшей атаки.

Баланс между прочностью и долгим сроком службы

В целом покрытие значительно сократило как скорость окисления, так и скорость горячей коррозии по сравнению с голой сталью MDN 420 — измеренные константы скоростей были в несколько раз меньше. Сочетание прочной кобальтовой матрицы, твёрдых карбидных частиц и самоформирующихся защитных оксидов позволяет покрытой стали дольше выдерживать высокие температуры и коррозионные соли. Тем не менее исследование также выявляет пределы этой защиты: там, где реакции с солями и летучие оксиды формируют поры и слабые шкалы, повреждения постепенно нарастают. Для непрофессионала главный вывод таков: грамотно разработанные покрытия могут действовать как огнеустойчивая, химически стойкая броня для горячих металлических деталей, обеспечивая значительно больший эксплуатационный ресурс до отказа — но эту «броню» нужно дорабатывать, например, путём заплотнения пор или корректировки состава, чтобы противостоять самым суровым средам, насыщенным солями.

Цитирование: S, S., Prasad, C.D., Kumaraswamy, G.N. et al. Hot corrosion and cyclic oxidation behavior of CoMoCrSi + Cr₃C₂ composite coatings on MDN 420 steel by HVOF spray process. Sci Rep 16, 10677 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45658-z

Ключевые слова: покрытия для высоких температур, горячая коррозия, стойкость к окислению, термическое напыление, защита нержавеющей стали