satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2017-16-5-422-431sat-1061Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGМНОГОСЛОЙНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ ПЛАЗМЕННЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ЭЛЕМЕНТАХ ЭКРАННОЙ ЗАЩИТЫ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯMULTILAYER COMPOSITE PLASMA COATINGS ON SCREEN PROTECTION ELEMENTS BASED ON ZIRCONIUM DIOXIDEОковитыйВ. А.OkovityV. A.

Кандидат технических наук 

Адрес для переписки: Оковитый Вячеслав Александрович – Белорусский национальный технический университет, просп. Независимости, 65, 220013, г. Минск. Тел.: +375 17 293-93-71   niil_svarka@bntu.by

Address for correspondence: Okovity Vjacheslav A. – Belarusian National Technical University 65 Nezavisimosty Ave., 220013, Minsk, Republic of Belarus Tel.: +375 17 293-93-71 niil_svarka@bntu.by

niil_svarka@bntu.byПантелеенкоФ. И.PanteleenkoF. I.

Член-корреспондент НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор

ОковитыйВ. В.OkovityV. V.

Младший научный сотрудник

АсташинскийВ. М.AstashinskyV. M.

Член-корреспондент НАН Беларуси, доктор физико-математических наук, профессор

ХрамцовП. П.HramtsovP. P.

Доктор физико-математических наук

ЧерникМ. Ю.CernikM. Y.

Кандидат физико-математических наук

УгловВ. В.UglovV. V.

Доктор физико-математических наук, профессор

ШиманскийВ. В.ChimanskiyV. I.

Кандидат физико-математических наук

ЧерендаН. Н.CerendaN. N.

Кандидат физико-математических наук

СоболевскийС. Б.SobolewskiS. B.

Кандидат технических наук

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusИнститут тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН БеларусиБеларусьA.V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of NAS of BelarusBelarusИнститут тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН БеларусиБеларусьA.V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of NAS of BelaruBelarusБелорусский государственный университетBelarusБелорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarusБелНИИТ «Транстехника»БеларусьBelarusian Research Institute of Transport “Transtekhnika”Belarus201705102017165422431Copyright © Оковитый В.А., Пантелеенко Ф.И., Оковитый В.В., Асташинский В.М., Храмцов П.П., Черник М.Ю., Углов В.В., Шиманский В.В., Черенда Н.Н., Соболевский С.Б., 20172017Оковитый В.А., Пантелеенко Ф.И., Оковитый В.В., Асташинский В.М., Храмцов П.П., Черник М.Ю., Углов В.В., Шиманский В.В., Черенда Н.Н., Соболевский С.Б.Okovity V.A., Panteleenko F.I., Okovity V.V., Astashinsky V.M., Hramtsov P.P., Cernik M.Y., Uglov V.V., Chimanskiy V.I., Cerenda N.N., Sobolewski S.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/1061

В статье приведены результаты исследования влияния параметров плазменной струи (ток, дистанция напыления, расход плазмообразующего газа азота), фракционного состава исходного порошка и степени охлаждения сжатым воздухом на характеристики антиметеоритных покрытий. На оптимальных режимах (ток дуги 600 А; дистанция напыления 110 мм; расход плазмообразующего газа азота 50 л/мин; фракционный состав порошка диоксида циркония <50 мкм; расход сжатого воздуха для охлаждения 1 м3/мин р = 4 атм) получаются антиметеоритные покрытия на основе диоксида циркония с коэффициентом использования материала 62 %; общую пористость керамического слоя 6 %. После воздействия на покрытие компрессионными плазменными потоками в атмосфере азота кубическая модификация оксида циркония является основной фазой, присутствующей в покрытии. Параметр решетки кубической модификации оксида циркония составляет 0,5174 нм. Ввиду использования азота в качестве плазмообразующего вещества, происходит его взаимодействие с атомами циркония покрытия и образуется нитрид циркония с-ZrN с кубической кристаллической решеткой (параметр решетки 0,4580 нм). Происходит плавление приповерхностного слоя, причем глубина расплавленного слоя, согласно результатам растровой электронной микроскопии, составляет около 8 мкм. Закристаллизовавшийся после воздействия компрессионными плазменными потоками приповерхностный слой характеризуется гомогенным распределением элементов и отсутствием пор, образованных при формировании покрытия. Структура самого покрытия представлена совокупностью крупных (5–7 мкм) и мелких (1–2 мкм) частиц оксида циркония, спеченных между собой. После воздействия компрессионными плазменными потоками на сформированное покрытие происходит плавление его поверхностного слоя и его скоростная кристаллизация. В результате возникновения внутренних механических напряжений в закристаллизовавшейся части происходит растрескивание поверхностного слоя. Детальный анализ структуры поверхности с помощью растровой электронной микроскопии позволил выявить формирование в закристаллизовавшейся части ячеистой структуры со средним размером ячеек менее 1 мкм, формирование которых может быть вызвано скоростной кристаллизацией расплавленного слоя.

 

The paper contains results of investigations pertaining to an influence of plasma jet parameters (current, spraying distance, consumption of plasma formation gas (nitrogen)), fractional composition of initial powder and degree of cooling with compressed air on anti-meteoric coating characteristics. Optimum modes (arc current 600 A; spray distance of 110 mm; consumption of plasma formation gas (nitrogen) – 50 l/min; fractional composition of zirconium dioxide powder <50 μm; compressed air consumption for cooling – 1 m3/min; p = 4 bar) make it possible to obtain anti-meteoric coatings based on zirconium dioxide with material utilization rate of 62 %, total ceramic layer porosity of 6 %. After exposure of compression plasma flows on a coating in the nitrogen atmosphere a cubic modification of zirconium oxide is considered as the main phase being present in the coating. The lattice parameter of cubic zirconium oxide modification is equal to 0.5174 nm. Taking into consideration usage of nitrogen as plasma formation substance its interaction with zirconium coating atoms occurs and zirconium nitride (ZrN) is formed with a cubic crystal lattice (lattice parameter 0.4580 nm). Melting of pre-surface layer takes place and a depth of the melted layer is about 8 μm according to the results of a scanning electron microscopy. Pre-surface layer being crystallized after exposure to compression plasma flows is characterized by a homogeneous distribution of ele-ments and absence of pores formed in the process of coating formation. The coating structure is represented by a set of lar- ge (5–7 μm) and small (1–2 μm) zirconium oxide particles sintered against each other. Melting of coating surface layer and speed crystallization occur after the impact of compression plasma flows on the formed coating. Cracking of the surface layer arises due to origination of internal mechanical stresses in the crystallized part. While using a scanning electron microscopy a detailed analysis of the surface structure has permitted to reveal a formation of a cellular structure with an average cell size of less than 1 μm in the crystallized portion and formation of the cells can be caused by speed crystallization of the melted layer.

плазменная струяантиметиоритные покрытиякоэффициент использования материалакомпрессионные плазменные потокикубическая модификацияоксид цирконияplasma jetanti-meteoric coatingmaterial utilization coefficientcompression plasma flowscubic modificationzirconium oxideReferencesНанесение покрытий плазмой / В. В. Кудинов [и др.]. М., 1990. 407 с.Kudinov, V. V., Pekshev, P. Iu., Belashchenko, V. E., Solonenko, O. P., Safiullin, V. A. (1990) Application of Plasma Coating. Moscow, Nauka Publ. 407 (in Russian).Газотермические покрытия / В. Н. Анциферов [и др.]. Екатеринбург: Наука, 1994. 324.Antsiferov V. N., Shmakov A. M., Ageev S. S., Bulanov V. Ya. (1994). Gas-thermal coatings. Ekaterinburg, Nauka Publ. 324 (in Russian).Куприянов, И. Л. Газотермические покрытия с повышенной прочностью сцепления / И. Л. Куприянов, М. А. Геллер. Минск: Наука и техника, 1990. 254 с.Kupriyanov I. L., Geller, M. A. (1990). Gas-thermal coatings with high adhesion strength. Minsk, Nauka i tekhnika Publ. 254 (in Russian).Газотермическое напыление композиционных порошков / А. Я. Кулик [и др.]. М.: Машиностроение, 1985. 261 с.Borisov Yu. S., Kulik A. Ya., Mnukhin A. S., Nikitin M. D. (1985). Gas thermal spraying of composite powders. Moscow, Mashinostroenie Publ. 261 (in Russian).Теплозащитные покрытия на основе ZrO2 / А. Ф. Ильющенко [и др.]. Минск: Ремика, 1998. 128 с.Il'yushchenko A. F., Ivashko V. S., Okovityi V. A., Sobolevskii S. B. (1998). Thermal barrier coating based on ZrO2. Minsk, Remika Publ. 128 (in Russian).Акишин, А. И. Космическое материаловедение. Методическое и учебное пособие / А. И. Акишин. М.: НИИЯФ МГУ, 2007. 209 c.Akishin A. I. (2007). Space Material Science. Method and teaching guide. Moscow, Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics – Moscow State University. 209 (in Russian).Новые наукоемкие технологии в технике: энциклопедия / под ред. Л. С. Новикова, М. И. Панасюка. М.: Изд-во ЭНЦИТЕХ, 2000. Т. 17: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. 276 с.Kasaev K.S., Novikov L. S., Panasiouk M. I. (Eds.). (2000). New high-end technology in technique. Encyclopedia T. 17: Effect of space environment on materials and equipment of spacecrafts. Moscow, Publishing House “ENTsITEKh”. 276 (in Russian).Effects of Space Conditions on Materials / Ed. A. I. Akishin. N.Y.: Nova Science Publ., 2001. 199 p.Akishin A. I. (Ed.). (2001). Effects of Space Conditions on materials. N.Y., Nova Science Publ. 199.Процессы плазменного нанесения покрытий: теория и практика / А. Ф. Ильющенко [и др.]; под общ. ред. А. П. Достанко, П. А. Витязя. Минск: Армита – Маркетинг, Менеджмент, 1999. 544 с.Il'yushchenko A. F., Kundas S. P., Dostanko A. P., Vityaz P. A. (1999). Plasma coating processes: Theory and Practice. Minsk, Publishing House “Armita – Marketing, Management”. 544 (in Russian).Достанко, А. П. Процессы плазменного нанесения покрытий: теория и практика / А. П. Достанко, А. Ф. Ильющенко, С. П. Кундас. Минск: Армита – Маркетинг, Менеджмент, 1999. 544 с.ОДИН И ТОТ ЖЕ ИСТОЧНИК №10 МОЖНО УДАЛИТЬDostanko A P., Ilyushchenko A. F., Kundas S. P. (1999) Processes of Plasma Coating: Theory and Practice. ?insk, Publishing House “Armita – Marketing, Management”. 544 (in Russian).Safai, S. Plasma Sprayed Coating – their Ultramicrostructure / S. Safai // T. Advances in Surface Coating Technology. 2008. No 1. P. 1–14.Safai S. (2008) Plasma Sprayed Coating – their Ultramic- rostructure. T. Advances in Surface Coating Technolo- gy, (1), 1–14.Хасуй, А. Техника напыления / А. Хасуй. М.: Машиностроение, 1975. 286 с.Hasuy ?. (1975) Spraying Technique. Moscow, Mashi-nostroyenie Publ. 286 (in Russian).Борисов, Ю. С. Применение плазменных покрытий в машиностроении / Ю. С. Борисов // Защитные покрытия на металлах: сб. науч. тр. Киев: Наукова думка, 1999. № 13. С. 93–95.Borisov Yu. S. (1999) Application of Plasma Coatings in Mechanical Engineering. Zashchitnye Pokrytaya na Me- tallakh: Sborn. Nauchn. Trud. [Protective Coatings on Me-tals. Collection of Scientific Papers]. Kiev, Naukova Dumka Publ., (13), 93–95 (in Russian).Eschnauer, H. Pulverformige Keramiscke Werkstofferum Plasmaspritren / Н. Eschnauer // Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft. 2000. Vol. 57, No 4. P. 94–98.Eschnauer H. (2000) Pulverformige Keramiscke Werkstof-ferum Plasmaspritren. Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft, 57 (4), 94–98 (in German).Meclocklin, R. S. Thermal Spray Coatings for Computer Components / R. S. Meclocklin // T. Val. Sei and Technol. 2005. Vol. 12, No 4. Р. 783–785.НЕ НАШЛА ИСТОЧНИКMeclocklin R. S. (2005) Thermal Spray Coatings for Comput-er Components. T. Val. Sei and Technol, 12 (4), 783–785.Вяльцев, А. М. Синтез керамических материалов для высокоплотных покрытий / А. М. Вяльцев // Получение и исследование свойств новых материалов. Киев: ИПМ, 1988. С. 149–153.Vyaltsev A. M. (1988) Synthesis of Ceramic Materials for High-Density Coatings. Obtaining and Investigation of New Material Properties. Kiev, Institute for Problems in Material Science, 149–153 (in Russian).Современные технологии нанесения теплозащитных керамических покрытий / В. С. Ивашко [и др.] // Известия Белорусской инженерной академии. 1997. № 2 (4). С. 28–32.Ivashko V. S. [et al.] (1997) Modern Technologies for Thermal Barrier Ceramic Coatings Technology. Izvestiya Belorusskoi Inzhenernoi Akademii [Proceedings of Bela-rusian Academy of Engineering], 4 (2), 28–32 (in Rus-sian).Aspects of Deposition of the Thermal Barrier Coatings / A. Ilyuschenko [et al.] // TECHNOLOGY-97: Proc. of the International Conf. Bratislava (Slovakia), 1997. Р. 672–673.Ilyuschenko A., Okovity V., Sobolevsky S. [et al.] (1997) Aspects of Deposition of the Thermal Barrier Coatings. TECHNOLOGY-97: Proc. of the International Conf. Bra-tislava (Slovakia), 672–673.Effect of Chemical, Phase Composition and Heat Resistance of a Ceramic Layer Coating on Resistance to Temperature Cycling // P. Vityaz, [et al.] // Danube Adria Association for Automation & Manufacturing: Proc. of the 4-st International Conference. Tallinn, 1997. P. 137–140.Vityaz P., Ilyuschenko A., Okovity V. [et al.] (1997) Ef-fect of Chemical, Phase Composition and Heat Resistance of a Ceramic Layer Coating on Resistance to Temperature Cycling. Danube Adria Association for Automation & Manufacturing: Proc. of the 4-st International Conferen- ce. Tallinn, 137–140.Особенности формирования керамического слоя теплозащитного покрытия / П. А. Витязь [и др.] // Порошковая металлургия. 1997. № 20. С. 81–86.Vityaz P. A., Il'yushenko A. F., Okovityi V. A., Ivashko V. S., Sobolevskii S. B. (1997) Peculiar Features in Formation of Ceramic Layer for Thermal Barrier Coating. Porosh-kovoya Metallurgiya [Powder Metallurgy], (20), 81–86 (in Russian).

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