satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2018-17-5-378-389sat-1867Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGФормирование и исследование плазменных порошковых покрытий из оксидной керамики, модифицированной высокоэнергетическими воздействиямиFormation and Investigation of Plasma Powder Coatings Made of Oxide Ceramics Modified with High-Energy EffectsОковитыйВ. А.OkovityV. A.

Кандидат технических наук 

Адрес для переписки: Оковитый Вячеслав Александрович – Белорусский национальный технический университет, ул. Я. Коласа, 22, 220013, г. Минск, Республика Беларусь. 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

ОковитыйВ. В.OkovityV. V.АсташинскийВ. В.AstashinskyV. M.

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

УгловВ. В.UglovV. V.

Доктор физико-математических наук, профессор

ШиманскийВ. И.ChimanskiyV. I.

Кандидат физико-математических наук

ЧерендаН. Н.CerendaN. N.

Кандидат физико-математических наук

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusБелорусский национальный технический университетБеларусьA.V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of NAS of BelarusBelarusИнститут тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН БеларусиБеларусьBelarusian State UniversityBelarusБелорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarus201812102018175378389Copyright © Оковитый В.А., Пантелеенко Ф.И., Оковитый В.В., Асташинский В.В., Углов В.В., Шиманский В.И., Черенда Н.Н., 20182018Оковитый В.А., Пантелеенко Ф.И., Оковитый В.В., Асташинский В.В., Углов В.В., Шиманский В.И., Черенда Н.Н.Okovity V.A., Panteleenko F.I., Okovity V.V., Astashinsky V.M., Uglov V.V., Chimanskiy V.I., Cerenda N.N.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/1867

В статье приведены результаты исследования структуры и свойств оптимизированных по составу многослойных композиционных покрытий из материалов на основе диоксида циркония, используемого для напыления плазменных покрытий на модели элементов экранов противометеорной защиты. Рассмотрено влияние параметров плазменной струи (тока, дистанции напыления, расхода плазмообразующего газа азота) и фракционного состава исходного порошка на характеристики двухслойных композиционных покрытий на основе никель-хрома-алюминия-иттрия и диоксида циркония на элементах защитных экранов. Проведена оптимизация на основании получения максимального коэффициента использования порошка. В результате исследований установлены особенности элементного и фазового составов, морфологии поверхности, микроструктуры многослойных композиционных покрытий на основе твердого слоя оксидов металлов и вязкого переходного подслоя, подвергнутых воздействию компрессионных плазменных потоков. Исследования проводились с помощью растровой электронной микроскопии, энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа, рентгеноструктурного анализа. На основании полученных результатов показано, что воздействие компрессионных плазменных потоков на многослойные композиционные покрытия приводит к модифицированию приповерхностного слоя толщиной до 15 мкм, заключающемуся в его плавлении и последующей скоростной кристаллизации, которые в совокупности обеспечивают повышение его плотности, снижение пористости при сохранении исходного фазового состояния. Жидкофазные процессы в расплавленной фазе приповерхностного слоя позволяют модифицировать морфологические свойства поверхности, связанные с ее сглаживанием и снижением шероховатости.

The paper presents results of studying structure and properties of multilayer composite coatings optimized for their composition based on zirconium dioxide materials used for deposition of plasma coatings on the models of elements for anti-meteor shielding screens. The influence of plasma jet parameters (current, distance of sputtering, consumption of plasma-forming nitrogen gas) and fractional composition of an initial powder on characteristics of two-layer composite coatings based on nickel-chromium-aluminum-yttrium and zirconium dioxide on the elements of protective screens has been analyzed in the paper. Optimization has been carried out on the basis of obtaining maximum coefficient of powder utilization. The investigations have made it possible to ascertain specific features of elemental and phase composition, surface morphology, microstructure multilayer composite coatings on the basis of a solid layer of metal oxides and a viscous transition sub-layer subjected to compression plasma flows. The investigations have been executed with the help of scanning electron microscopy, energy dispersive x-ray spectral microanalysis, and x-ray diffraction analysis. It has been shown on the basis of the obtained results that the effect of compression plasma flows on multilayer composite coatings leads to a modification of a near-surface layer with a thickness up to 15 μm that presupposes its melting and subsequent high-speed crystallization which together provide an increase in its density, decrease in porosity while maintaining the initial phase state. Liquid-phase processes in the molten phase of the near-surface layer permit to modify morphological properties of the surface which are associated with its smoothing and lowering of roughness.

плазменное напылениематериалы на основе оксидной керамикидиоксид цирконияоптимизация процессапротивометеорная защитакоэффициент использования порошкапрочность сцепления покрытия с основойэлементный составморфологияструктура покрытиямодифицирование под воздействием компрессионных потоковplasma sprayingoxide ceramic materialszirconium dioxideprocess optimizationanti-meteor protectionpowder use factorcoating adhesion to substrateelemental compositionmorphologycoating structuremodification under the action of compression flowsReferencesНанесение покрытий плазмой / В. В. Кудинов [и др.]. М.: Наука, 1990. 244 с.Kudinov V. V., Pekshev P. Yu., Belashchenko V. E., Kovalenko L. V. (1990) Application of Plasma Coatings. Moscow, Nauka Publ. 244 (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 Protective Coatings Based on ZrO2. ?insk, Remika Publ. 128 (in Russian).Газотермические покрытия / В. Н. Анциферов [и др.]. Екатеринбург: Наука: Урал. издат. фирма, 1994. 324 с.Antsiferov V. N., Shmakov A. M., Ageev S. S., Bulanov V. Ya. (1994) Gas-Thermal Coatings. Ekaterinburg, Nauka: Ural Publishing Company. 324 (in Russian).Акишин, А. И. Космическое материаловедение / А. И. Акишин. М.: НИИЯФ МГУ, 2007. С. 209.Akishin A. I. (2007) Space Materials Science. Moscow, Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics of Moscow State University. 209 (in Russian).Газотермическое напыление композиционных порошков / А. Я. Кулик [и др.]. М., 1985. 261 с.Kulik A. Ya., Borisov Yu. S., Mnukhin A. S., Nikitin M. D. (1985) Gas-Thermal Spraying of Composite Powders. Moscow, Mashinostroenie Publ. 261.Akishin, A. I. Effects of Space Conditions on Materials / A.I. Akishin. N.-Y.: Nova Science Publ., 2001. 199 p.Akishin A. I. (2001) Effects of Space Conditions on Materials. N.-Y., Nova Science Publ. 199.Safai, S. Plasma Sprayed Coating – their Ultramicrostructure / S. Safai, H. Herman // Advances in Surface Coating Technology. Paper 5 International Conference, London, 13–15 Feb., 1978. London: Pub. Welding Institute, 1978. Р. 1–14.Safai S., Herman H. (1978) Plasma Sprayed Coating – their Ultramicrostructure. Advances in Surface Coating Technology. Paper 5 International Conference. London: Pub. Welding Institute, 1–14.Pulverfoermige Keramische Werkstoffe zum Plasmaspritzen / H. Eschnauer [et al.] // Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft. 1980. Vol. 57, № 4–5. P. 94–98.Eschnauer H., Kilp F., Mundinger K., Kuehn H., Stitz O. (1980) Pulverfoermige Keramische Werkstoffe Zum Plasmaspritzen [Ceramic Powers for Plasma Spraying]. Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft, 57 (4–5), 94–98 (in German).McClocklin, R. S. Thermal-Spray Coatings for Computer Components / R. S. McClocklin, B. A. Teal // Journal of Vacuum Science Technology. 1975. Vol. 12, № 4. P. 784–785. https://doi.org/10.1116/1.568671.McClocklin R. S., Teal B. A. (1975) Thermal Spray Coatings for Computer Components. Journal of Vacuum Science Technology, 12 (4), 784–785. https://doi.org/10. 1116/1.568671.Девойно, О. Г. Плазменные теплозащитные покрытия на основе диоксида циркония с повышенной термостойкостью / О. Г. Девойно, В. В. Оковитый // Наука и техника. 2015. № 1. С. 35–39.Devoino O. G., Okovity V. V. (2015) Plasma Thermal Barrier Coatings Based on Zirconium Dioxide with High Thermal Stability. Nauka i Tekhnika = Science & Technique, (1), 35–39 (in Russian).Разработка технологии нанесения плазменных композиционных покрытий на основе диоксида циркония для систем космических аппаратов / Ф. И. Пантелеенко [и др.] // Наука и техника. 2015. № 3. С. 3–9.Panteleenko F. I., Okovity V. A., Devoino O. G., Astashinsky V. M., Okovity V. V., Sobolewski S. ?. (2015) Development of Technology for Application of Plasma Composite Coatings Based on Zirconium Dioxide for Spacecraft Systems. Nauka i Tekhnika = Science & Technique, (3), 3–9 (in Russian).Оковитый, В. В. Выбор оксидов для стабилизации диоксида циркония при получении теплозащитных покрытий аппаратов / В. В. Оковитый // Наука и техника. 2015. № 5. С. 26–32.Okovity V. V. (2015) Selection of Oxides for Stabilization of Zirconium Dioxide while Obtaining Thermal Barrier Coatings. Nauka i Tekhnika = Science & Technique, (5), 26–32 (in Russian).Технологические особенности формирования теплозащитных покрытий на основе диоксида циркония / В. В. Оковитый [и др.] // Наука и техника. 2016. Т. 15, № 3. С. 193–199. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2016-15-3-193-199.Okovity V. V., Devoino O. G., Okovity V. A., Astashinsky V. M. (2016) Technological Peculiarities of Thermal Barrier Coatings Based on Zirconium Dioxide. Nauka i Tekhnika = Science & Technique, 15 (3), 193–199 (in Russian). https://doi.org/10.21122/2227-1031-2016-153-193-199.Формирование и исследование многослойных композиционных плазменных оксидных покрытий на элементах экранной противометеорной защиты / В. А. Оковитый [и др.] // Наука и техника. 2016. Т. 15, № 5. С. 357–364. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2016-155-357-364.Okovity V. A., Panteleenko F. I., Devoino O. G., Okovity V. V., Astashinsky V. M., Hramtsov P. P., Chernik M. Y., Uglov V. V., Sobolevsk? S. B. Formation and Research of Multi-Layer Composite Plasma Oxide Coatings Based on Elements of Screen Meteroid Ptotection. Nauka i Tekhnika = Science & Technique, 15 (5), 357–364 (in Russian). https://doi.org/10.21122/2227-1031-2016-15-5-357-364.Оптимизация процесса напыления керамических плазменных покрытий на модели элементов экранов противометеорной защиты / Ф. И. Пантелеенко [и др.] // Машиностроение и техносфера XXI в.: тез. Междунар. науч.-техн. конф., 15–20 сент. 2014 г., г. Севастополь. Донецк, 2014. Т. 2. С. 123–127.Panteleenko F. I., Okovityi V. A., Devoino O. G., Astashinskii V. A. (2014) Optimization of Process Pertaining to Deposition of Ceramic Plasma Coatings on Model of Anti-Meteor Protection Screen Elements. Mashinostroenie i Tekhnosfera XXI Veka: Tezisy Mezhdunar. Nauch.-Tekhn. Konf., 15–20 sent. 2014 g., g. Sevastopol'. T. 2 [Mechanical Engineering and Technosphere of the 21st Century: Abstracts of International Scientific and Technical Conference, September 15–20, 2014, Sevastopol. Vol. 2]. Donetsk, 23–127 (in Russian).Пантелеенко, Ф. И. Исследование плазменных двухслойных композиционных покрытий диоксид циркония – нихром / Ф. И. Пантелеенко, В. А. Оковитый, Е. Ф. Пантелеенко // Актуальные проблемы в машиностроении. 2017. Т. 4, № 3. С. 100–105.Panteleenko F. I., Okovity V. A., Panteleenko E. F. (2017) Investigation of Plasma Two-Layer Composite Coatings of Zirconia-Nichrome. Aktual'nye Problemy v Mashinostroenii = Actual Problems in Machine Building, 4 (3), 100–105 (in Russian).Многослойные композиционные плазменные покрытия на элементах экранной защиты на основе диоксида циркония / В. А. Оковитый [и др.] // Наука и техника. 2017. Т. 16, № 5. С. 422–431. https://doi.org/10.21122/ 2227-1031-2017-16-5-422-431.Okovity V. A., Panteleenko F. I., Okovity V. V., Astashinsky V. V., Hramtsov P. P., Cernik M. Y., Uglov V. V., Chimanskiy V. I., Cerenda N. N., Sobolewski S. B. (2017) Multilayer Composite Plasma Coatings on Screen Protection Elements Based on Zirconium Dioxide. Nauka i Tekhnika = Science & Technique, 16 (5), 422–431 (in Russian). https://doi.org/10.21122/2227-1031-2017-16-5-422-431.

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