Stress-strain analysis of a composite ceramic coating B4C-BN deposited on a steel matrix by laser cladding

Ilya R. Saltykov, Mikhail D. Krivilyov, Evgeniy V. Kharanzhevskiy

Author details

Ilya R. Saltykov
Udmurt State University, Izhevsk, Russian Federation
Mikhail D. Krivilyov
Udmurt State University, Izhevsk, Russian Federation; Udmurt Federal Research Center, Izhevsk, Russian Federation
Evgeniy V. Kharanzhevskiy
Udmurt State University, Izhevsk, Russian Federation

https://doi.org/10.15593/perm.mech/2025.4.12

Coatings based on B4C-BN form a super-hard surface layer with an ultra-low friction coefficient and are promising for friction pairs with high relative sliding friction velocities. Using the laser cladding method for coating deposition ensures its strong adhesive contact with the metal matrix because of high processing temperatures. The paper analyzes the stress-strain state of the composite surface layer formed during cooling at a high (up to 105 K/s) cooling rate. The structure of the coating, which has an amorphous-crystalline structure, and its effect on the stress state are analyzed. It was revealed that crystal inclusions of boron nitride with a characteristic size between 30 and 50 nm are embedded into the amorphous matrix. Then, using the methods of mathematical modeling of the thermal loading cycle, the level of residual stresses is calculated. Based on the simulation results, the following mechanism has been confirmed. The sequential cladding of tracks (i.e. elements of the coating) leads to a complex thermo-mechanical interaction. In the coating and surficial region of the matrix, the alternating in time and space stress is formed. It leads to generation of stress points between individual tracks, hence, to the development of transverse cracks. At the same time, there is no significant stress in the direction perpendicular to the surface. Therefore, cracks along the coating–matrix interface are absent and this explains a strong bounding between the coating and metallic matrix. In addition, the elastic energy and stress relaxation as a result of crack formation are studied. A decrease of the elastic energy up to 60–70 % is predicted, that diminishes the residual stresses to the level of about 500 MPa. The obtained results apply to optimize laser processing regimes in order to get coatings with the lowest level of residual stresses.

Keywords

ceramic coatings for steellaser synthesissurfacingboron carbideboron nitrideresidual stressesstress-strain state

РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО КЕРАМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ В4С-ВN, НАНЕСЕННОГО НА СТАЛЬНУЮ МАТРИЦУ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ

Покрытия на основе В4С-ВN формируют сверхтвердый поверхностный слой со сверхнизким коэффициентом трения и перспективны для использования в парах трения с высокими относительными скоростями трения скольжения. Использование метода лазерной наплавки при нанесении покрытия обеспечивает его прочный адгезионный контакт с металлической матрицей за счет высоких температур обработки. В работе проведен анализ напряженно-деформированного состояния композиционного поверхностного слоя, формирующегося при охлаждении с высокой (до 105 К/с) скоростью охлаждения. Проанализирована структура покрытия, имеющего аморфно-кристаллическое строение, и ее влияние на напряженное состояние. Установлено, что в аморфной матрице имеются включения кристаллического нитрида бора с характерными размерами 30–50 нм. Далее методами математического моделирования проведен расчет уровня остаточных напряжений для всего цикла термического нагружения. По результатам моделирования выявлен следующий механизм, что последовательная наплавка дорожек (элементов) покрытия приводит к сложному термическинесу воздействию. В покрытии и в приповерхностном слое металлической матрицы формируются знакопеременные по времени и пространству напряжения. Это приводит к возникновению концентраторов напряжений на границе между отдельными дорожками и развитию поперечных трещин. При этом не прогнозируется значительных напряжений в направлении, перпендикулярном поверхности. Этим объясняется отсутствие трещин вдоль границы «покрытие – матрица» и наблюдаемая в триботехнических испытаниях высокая адгезия покрытия к матрице. Дополнительно исследован вопрос релаксации напряжений и упругой энергии в результате формирования трещин. Прогнозируется снижение упругой энергии на 60–70 %, что снижает остаточные напряжения до уровня 400–500 МПа. Полученные результаты применимы для оптимизации режимов лазерной обработки с целью получения покрытий с наименьшим уровнем остаточных напряжений.

Ключевые слова

керамические покрытия для сталилазерный синтезнаплавкакарбид боранитрид бораостаточные напряжениянапряженно-деформированное состояние

Bibliography

1.Bhowmick, S. Low friction behaviour of boron carbide coatings (B4C) sliding against Ti -6Al -4V / S. Bhowmick, G. Sun, A.T. Alpas // Surf. Coat. Technol. – 2016. – 308. – P. 316–327. Scholar
2.Larsson, P. Tribofilm formation on boron carbide in sliding wear / P. Larsson, N. Axen, S. Hogmark // Wear. – 1999. – 236. – P. 73–80. Scholar
3.Андриевский, Р.А. Микро- и наноразмерный карбид бора: синтез, структура и свойства / Р.А. Андриевский // Успехи химии. – 2012. – 81 б. – С. 549–559. Scholar
4.Erdemir, A. Formation of ultralow friction surface films on boron carbide / A. Erdemir, C. Bindal, G.R. Fenske // Appl. Phys. Lett. – 1996. – 68. – P. 1637–1639. Scholar
5.Friction and wear of boride ceramics in air and water / K. Umeda, Y. Enomoto, A. Mitsui, K. Mannami // Wear. – 1993. – 169. – P. 63–68. Scholar
6.Redox-Driven Formation of Lithium Metaborate for Ultra-Low Friction in B4C–BN Coatings with MgO and Li2O / M. Krivilyov, E. Korobeynikova, S. Reshetnikov, E. Kharanzhevskiy // Metallurgical and Materials Transactions B. – 2025. – Vol. 56. – P. 3330–3340. DOI: 10.1007/s11663-025-03551-6 Scholar
7.Meschter, P.J. Water vapor–mediated volatilization of high-temperature materials / P.J. Meschter, E.J. Opila, N.S. Jacobson // Annu. Rev. Mater. Res. – 2013. – 43. – P. 559–588. Scholar
8.Tribological behavior of sputtered boron carbide coatings and the influence of processing gas / H.-S. Ahn, P.D. Cuong, K.-H. Shin, Lee Ki-Seung // Wear. – 2005. – 259. – P. 807–813. Scholar
9.Ultralow friction behaviour of B4C-BN-MeO composite ceramic coatings deposited on steel / E.V. Kharanzhevskiy, A.G. Ipatov, M.D. Krivilyov, A.V. Makarov, F.Z. Gil'mutdinov, E.G. Volkova // Surface and Coatings Technology. – 2020. – 390. – P. 125664. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125664 Scholar
10.Tribological performance of boron-based superhard coatings sliding against different materials / E.V. Kharanzhevskiy, A.G. Ipatov, A.V. Makarov, F.Z. Gil'mutdinov, N.N. Soboleva, M.D. Krivilyov // Wear. – 2021. – Vol. 477. – P. 203835. DOI: 10.1016/j.wear.2021.203835 Scholar
11.Князева, А.Г. Термомеханическая связанная модель синтеза покрытия на подложке / А.Г. Князева // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2024. – № 1. – С. 58–74. DOI: 10.15593/perm.mech/2024.1.06 Scholar
12.Coupling Models of New Material Synthesis in Modern Technologies / A. Knyazeva, O. Kryukova, S. Sorokova, S. Shanin // Handbook of Mechanics of Materials. Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2018. – 42 p. Scholar
13.Численное исследование напряженно-деформированного состояния в аддитивном алюминиево-кремниевом сплаве на уровне дендритной структуры / Е. Дымнич, В.А. Романова, Р.Р. Балохонов, О.С. Зиновьева, А.В. Зиновьев // Физическая мезомеханика. – 2020. – 23 4. – С. 51–60. DOI: 10.24411/1683-805X-2020-14007 Scholar
14.Усталость и разрушение сплава AlSi10Mg, полученного методом селективного лазерного плавления / Z. Jiang, J. Sun, F. Berto, X. Wang, G. Qian // Физическая мезомеханика. – 2023. – 26 2. – С. 5–29. Scholar
15.Review on residual stress in selective laser melting additive manufacturing of alloy parts / Ze-Chen Fang, Zhi-Lin Wu, Chen-Guang Huang, Chen-Wu Wu // Optics & Laser Technology. – 2020. – Vol. 129. – P. 106283. DOI: 10.1016/j.optlastec.2020.106283 Scholar
16.Residual stresses in HVOF-sprayed ceramic coatings / G. Bolelli, L. Lusvarghi, T. Varis, E. Turunen, M. Leoni, P. Scardi, C. Leanor Azanza-Ricardo, M. Barletta // Surface and Coatings Technology. – 2008. – Vol. 202, no. 19. – P. 4810–4819. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2008.04.066 Scholar
17.Effect of cooling rate on residual stress and mechanical properties of laser remelted ceramic coating / Biswajit Das, Muvvala Gopinath, Ashish Kumar Nath, P.P. Bandyopadhyay // Journal of the European Ceramic Society. – 2018. – Vol. 38, no. 11. – P. 3932–3944. DOI: 10.1016/j.jeuercarmosc.2018.04.020 Scholar
18.К вопросу трещиностойкости сверхтвердых износостойких покрытий на основе В4С-ВN / О.О. Гавриленко, М.Д. Кривилев, Е.В. Харанжевский, А.Г. Ипатов // Вопросы атомной науки и техники). – 2021. – № 5. – С. 23–32. Scholar
19.Kochetkov, V.A. Calculation of elastic constants and thermophysical properties of multiphase composites with composite or hollow spherical inclusions / V.A. Kochetkov // Mechanics of composite materials. – 1994. – Vol. 30, no. 4. – P. 512–519. Scholar
20.Паньков, А.А. Методы самосогласования механики композитов: монография / А.А. Паньков. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. – 253 с. Scholar
21.Синтез композитных покрытий при высокоскоростном лазерном спекании металлических порошковых смесей / М.Д. Кривилев, Е.В. Харанжевский, В.Г. Лебедев, Д.А. Данилов, Е.В. Данилова, П.К. Галенко // Физика металлов и металловедение. – 2013. – № 10. – С. 871–893. DOI: 10.1134/S0031918X13080073 Scholar
22.Землянов, А.В. Численное моделирование деформации и разрушения металлокерамических композитов с учетом остаточных напряжений / А.В. Землянов, Е.П. Евтушенко, Р.Р. Балохонов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2020. – № 4. – С. 86–96. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.08 Scholar
23.Rosenthal, D. The Theory of Moving Sources of Heat and Its Application to MetalTreatments / D. Rosenthal // Trans. ASME. – 1946. – Vol. 68. – P. 849–866. Scholar
24.COMSOL Multiphysics. Version 5.6. 2021. Licence No. 9602304. Scholar
25.Галанин, М.П. Методы численного анализа математических моделей / М.П. Галанин, Е.Б. Савенков. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2010. – 591 с. Scholar
26.Моделирование напряженно-деформированного состояния в процессе лазерной порошковой наплавки с целью определения конечного коробления изделий / О.Ю. Сметанников, М.Р. Бекмансуров, Г.В. Ильиных, К.А. Донгаузер // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2023. – № 6. – С. 124–134. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.6.12 Scholar
27.Finite Element Simulation and Experiment of Chip Formation during High Speed Cutting of Hardened Steel / Duan Chunzheng [et al.] // Applied Mechanics and Materials. – 2010. – Vol. 29–32. – P. 1838–1843. Scholar
28.Партон, В.З. Механика упругопластического разрушения / В.З. Партон, Е.М. Морозов. – М.: Наука, 1985. – 504 с. Scholar
29.Метод подвижных клеточных автоматов как новое направление дискретной вычислительной механики. I. Теоретическое описание / С.Г. Псахье, Г.П. Остермайер, А.И. Дмитриев, Е.В. Шилько, А.Ю. Смолин, С.Ю. Коростелев // Физическая мезомеханика. – Т. 3, № 2. – 2000. – С. 5–13. Scholar
30.Бойко, Л.А. Энергия упругой деформации / Л.А. Бойко, А.А. Ратников. – Владивосток: Изд-во Дальневост. федерал. ун-та, 2021. – 28 с. Scholar

Article information

Published: 8 December 2025
Issue date: 8 December 2025
Issue: No. 4 (2025)