satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2018-17-3-183-189sat-1676Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ КЕРАМИКИ С НЕРАВНОВЕСНОЙ СТРУКТУРОЙTECHNOLOGICAL SPECIFIC FEATURES ON FORMATION OF PLASMA POWDER COATINGS FROM CERAMICS WITH NON-EQUILIBRIUM STRUCTUREОковитыйВ. А.OkovityV. A.

Кандидат технических наук 

Адрес для переписки: Оковитый Вячеслав Александрович – Белорусский национальный технический университет, ул. Я. Коласа, 22, 220013, г. Минск. Тел.: +375 17 293-93-71.   niil_svarka@bntu.by 

Address for correspondence: Okovity Vjacheslav A. – Belarusian National Technical University, 22 Ya. Kolasa str., 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

АсташинскийВ. М.AstashinskyV. M.

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

ОковитыйВ. В.OkovityV. V.

Инженер

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusИнститут тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН БеларусиБеларусьA. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the NAS of BelarusBelarus201831052018173183189Copyright © Оковитый В.А., Пантелеенко Ф.И., Асташинский В.М., Оковитый В.В., 20182018Оковитый В.А., Пантелеенко Ф.И., Асташинский В.М., Оковитый В.В.Okovity V.A., Panteleenko F.I., Astashinsky V.M., Okovity V.V.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/1676

В статье представлены исследования влияния параметров плазменной струи (ток, дистанция напыления, расход плазмообразующего газа азота), фракционного состава исходного порошка на характеристики плазменных порошковых покрытий из керамики с неравновесной структурой. Проведена оптимизация параметров APS (плазменное напыление на воздухе) процесса для материалов NiAl, Al2O3–Cr2O–TiO2 – 15 % (CaF2–Ni) и FeCr30Mo3 – 12 % CaF2 – 50 % TiC. Оптимизация параметров напыления проводилась на основании получения максимального коэффициента использования материала. Структура покрытий, их химический и фазовый составы оказывают определяющее влияние на физико-механические свойства покрытий, в частности на пористость, прочность сцепления и износостойкость. Формируемые на подложке в процессе напыления структура и состав покрытия зависят от энергетических характеристик процесса плазменного напыления, эффективности теплообменных процессов между дисперсной и газовой фазами высокотемпературной плазменной струи, а также от состава, структуры и свойств применяемых материалов. Таким образом, наблюдается стабильное распределение твердой оксидной фазы в объемах напыленных материалов и отсутствуют поверхностные зоны с дефицитом подобных включений, что положительно влияет на работоспособность исследуемых износостойких покрытий. При плазменном напылении порошков Al2O3–Cr2O–TiO2 – 15 % (CaF2–Ni) формируется покрытие с более высокой микротвердостью, по сравнению с порошками Al2O3–Cr2O–TiO2 – 15 % (MoS2–Ni), что обусловлено снижением пористости и повышением однородности покрытий. На плотность покрытий, характер распределения фаз, а также на прочностные характеристики (износостойкость и прочность сцепления) большое влияние оказывает зернистость покрытий.

The paper presents investigations on studying the influence of plasma jet parameters (current, sputtering distance, consumption of nitrogen plasma forming gas), fractional composition of an initial powder on characteristics of plasma powder coatings from ceramics with a non-equilibrium structure. Optimization of APS parameters (plasma spraying in air) has been carried out for the following materials: NiAl, Al2O3–Cr2O–TiO2 – 15 % (CaF2–Ni) and FeCr30Mo3 – 12 % CaF2 – 50 % TiC. The optimization of sputtering parameters has been made on the basis of obtaining maximum coefficient of the material use. Structure of coatings, their chemical and phase compositions have a determining effect on physical and mechanical properties of the coatings, in particular, on porosity, adhesion strength and wear resistance. In its turn, a structure and a composition of the coating formed on the substrate depend on energy characteristics of the plasma sputtering process, an efficiency of heat exchange processes between dispersed and gas phases of high-temperature plasma jet, and also on a composition, a structure, and properties of the used materials. Thus, a stable distribution of a solid oxide phase has been observed in the volumes of sputtered materials and there are no surface zones with a deficiency of such inclusions that positively affects operability of the investigated wear-resistant coatings. While carrying out plasma deposition of Al2O3–Cr2O–TiO2 – 15 % (CaF2-Ni) powders, a coating with a higher micro-hardness has been formed in comparison with Al2O3–Cr2O–TiO2 – 15 % (MoS2–Ni) powders that is due to a decrease in porosity and an increase in uniformity of coatings. Graininess of the coatings exerts a significant influence on density of coatings, nature of phase distribution and strength characteristics (wear resistance and adhesion strength).

плазменные порошковые покрытиянеравновесная структураоптимизация процессакоэффициент использования порошкахимический и фазовый составыplasma powder coatingsnon-equilibrium structureprocess optimizationpowder utilization ratiochemical and phase compositionReferencesНанесение покрытий плазмой / В. В. Кудинов [и др.]. М.: Наука, 1990. 406 с.Kudinov V. V., Pekshev P. Yu., Belashchenko V. E., Kovalenko L. V. (1990) Plasma Coatings. Moscow, Nauka Publ. 406 (in Russian).Газотермические покрытия / В. Н. Анциферов [и др.]. Екатеринбург: Наука, 1994. 317 c.Antsiferov V. N., Shmakov A. M., Ageev S. S., Bulanov V. Ya. (1994) Gas Thermal Coatings. Ekaterinburg, Nauka Publ. 317 (in Russian).Куприянов, И. Л. Газотермические покрытия с повышенной прочностью сцепления / И. Л. Куприянов, М. А. Геллер. Минск: Навука i тэхнiка, 1990. 175 с.Kupriyanov I. L., Geller M. A. (1990) Gas Thermal Coatings with Increased Adhesion Strength. Minsk, Navuka i Tekhnika. 254 (in Russian).Газотермическое напыление композиционных порошков / А. Я. Кулик [и др.]. М.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1985. 197 с.Kulik A. Ya., Borisov Yu. S., Mnukhin A. S., Nikitin M. D. (1985) Gas-Thermal Spraying of Composite Powder. Moscow, Mashinostroenie Publ. 197 (in Russian).Ильющенко, А. Ф. Формирование износостойких плазменных покрытий на основе композиционных самосмазывающихся материалов / А. Ф. Ильющенко, В. А. Оковитый, А. И. Шевцов. Минск: Беспринт, 2005. 253 с.Ilyushchenko A. F., Okovity V. A., Shevtsov A. I. (2005) Formation of Wear-Resistant Plasma Coatings on the Basis of Composite Self-Lubricating Materials. Minsk, Besprint Publ. 253 (in Russian).Витязь, П. А.Основы нанесения износостойких, коррозионностойких и теплозащитных покрытий / П. А. Витязь, А. Ф. Ильющенко, А. И. Шевцов. Минск: Белор. наука, 2006. 435 c.Vityaz P. A., Ilyushchenko A. F., Shevtsov A. I. (2006) Fundamentals for Application of Wear-Resistant, Corrosion-Resistant and Heat-Resistant Coatings. Minsk, Beloruskaya Nauka Publ. 435 (in Russian).Получение композиционного керамического материала для нанесения износостойких покрытий / В. А. Оковитый [и др.] // Порошковая металлургия: республ. межвед. сб. науч. тр. / Национальная академия наук Беларуси. Минск: Белорусская наука, 2008. Вып. 31. С. 156–162.Okovityi V. A., Il'yushchenko A. F., Shevtsov A. I., Panteleenko F. I., Okovityi V. V. (2008) Obtaining of Composite Ceramic Material for Application of Wear-Resistant Coatings. Poroshkovaya Metallurgiya: Respublikanskii Mezhvedomstvennyi Sbornik Nauchnykh Trudov [Powder Metallurgy: the Republican Interdepartmental Collection of Scientific Works, 31, 156–162 (in Russian).Оковитый, В. А. Плазменные износостойкие покрытия с включением твердой смазки / В. А. Оковитый // Cварочное производство. 2002. № 6. С. 41–43.Okovity V. A. (2002) Plasma Wear-Resistant Coatings with Inclusion of Solid Lubricant. Svarochnoe Proizvodstvo, (6), 41–43 (in Russian).Триботехнические испытания образцов аморфизированных плазменных композиционных покрытий с включением твердой смазки / В. А. Оковитый [и др.] // Вестник Брестского государственного технического университета. Машиностроение. 2008. Вып. 1. С. 2–6.Okovityi V. A., Shevtsov A. I., Il'yushchenko A. F., Devoino O. G., Panteleenko F. I., Okovityi V. V. (2008) Tribotechnical Tests of Samples of Amorphized Plasma Composite Coatings with Inclusion of Solid Lubricant. Vestnik Brestskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta. Mashinostroenie [Bulletin of Brest State Technical University. Mechanical Engineering], (1), 2–6 (in Russian).Керамический материал системы оксид титана – оксид алюминия – твердая смазка / В. А. Оковитый [и др.] // Вестник Белорусского национального технического университета. 2011. Вып. 1. С. 16–20.Okovityi V. A., Devoino O. G., Panteleenko A. F., Okovityi V. V. (2011) Ceramic Material of Titanium OxideAluminium Oxide-Solid Lubricant System. Vestnik BNTU [Bulletin of the Belarusian National Technical University], (1), 16–20.Оковитый, В. А. Оптимизация процесса напыления износостойких покрытий на основе многофункциональной оксидной керамики / В. А. Оковитый, А. Ф. Пантелеенко // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2015. Т. 67, № 2. С. 46–54.Okovity V. A., Panteleenko F. I. (2015) Optimization of Process for Deposition of Wear-Resistant Coatings Based on Multifunctional Oxide Ceramics. Obrabotka Metallov = Metal Working and Material Science, 67 (2), 46–54 (in Russian).Разработка композиционного материала на основе многофункциональной керамики для плазменного напыления / Ф. И. Пантелеенко [и др.] // Упрочняющие технологии и покрытия. Машиностроение. 2015. Вып. 2. С. 43–47.Panteleenko F. I., Okovityi V. A., Devoino O. G., Astashinskii V. M., Okovityi V. V. (2015) Development of Composite Material Based on Multifunctional Ceramics for Plasma Deposition. Uprochnyayushchie Tekhnologii i Pokrytiya = Strengthening Technologies and Coatings, (2), 43–47 (in Russian).Технология получения композиционного материала на основе многофункциональной оксидной керамики / В. А. Оковитый [и др.] // Обработка металлов. 2015. Т. 67, № 2. С. 39–45.Okovity V. A., Panteleenko F. I., Talako T. L., Panteleenko A. F. (2015) Technology for Obtaining Composite Material on the Basis of Multifunctional Oxide Ceramics. Obrabotka Metallov = Metal Working and Material Science, 67 (2), 39–45 (in Russian).Исследование процессов и оптимизация технологических параметров импульсно-плазменной обработки плазменных покрытий из материалов на основе многофункциональной оксидной керамики / Ф. И. Пантелеенко [и др.] // Труды Междунар. науч.-техн. конф. «Инновации в машиностроении». Кемерово, 2015. С. 360–364.Panteleenko F. I., Okovityi V. A., Devoino O. G., Astashinskii V. M., Okovityi V. V. (2015) Investigation on Processes and Optimization of Technological Parameters for Pulse-Plasma Processing of Plasma Coatings Based on Multi-Functional Oxide Ceramics. Innovatsii v Mashinostroenii (InMash-2015): VII Mezhdunar. Nauch.-Prakt. Konf., 23–25 Sent. 2015 g., Kemerovo: Sbornik Trudov [Innovations in Mechanical Engineering (InMash-2015): VII International Scientific and Practical Conference, September 23–25, 2015, Kemerovo. Proceedings]. Kemerovo, Kuzbass State Technical University, 360–364 (in Russian).

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