satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2024-23-1-15-20sat-2738Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕMECHANICAL ENGINEERING АND ENGINEERING SCIENCEИсследование структуры и свойств многослойных плазменных порошковых покрытий из керамики и сплавов на основе никеляStudy of the Structure and Properties of Multilayer Plasma Powder Coatings of Ceramics and Nickel-Based AlloysПантелеенкоФ. И.PanteleenkoF. I.

Член-корреспондент НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор

Минск

Minsk

ОковитыйВ. 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 17 293-93-71niil_svarka@bntu.by

Minsk

niil_svarka@bntu.byДевойноО. Г.DevoinoO. G.

Доктор технических наук, профессор

Минск

Minsk

СидоровВ. А.SidorovV. A.

Кандидат технических наук, доцент

Минск

Minsk

ОковитыйВ. В.OkovityV. V.

Инженер

Минск

Minsk

АсташинскийВ. М.AstashinskyV. M.

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

Минск

Minsk

БлюменштейнВ. М.BlumensteinV. M.

Доктор технических наук

Кемерово

Kemerovo

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 BelarusBelarusКузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. ГорбачеваРоссияKuzbass State Technical University named after T. F. GorbachevRussian Federation2024020220242311520Copyright © Пантелеенко Ф.И., Оковитый В.А., Девойно О.Г., Сидоров В.А., Оковитый В.В., Асташинский В.М., Блюменштейн В.М., 20242024Пантелеенко Ф.И., Оковитый В.А., Девойно О.Г., Сидоров В.А., Оковитый В.В., Асташинский В.М., Блюменштейн В.М.Panteleenko F.I., Okovity V.A., Devoino O.G., Sidorov V.A., Okovity V.V., Astashinsky V.M., Blumenstein V.M.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/2738

В статье рассмотрены проведенные исследования сформированных при оптимальных технологических режимах плазменных покрытий из порошковых композиций Al2O3–TiO2–NiCrAlYТа. Они обладают приемлемой плотностью и имеют допустимое для эксплуатации количество поверхностных дефектов – пор и трещин. Крупно-габаритные керамические частицы Al2O3–TiO2 внедрены в NiCrAlYТа матрицу при формировании покрытия. Такое строение связано с подвижностью у расплавленных жидкофазных составляющих NiCrAlYТа, которые стремятся заполнить промежутки и трещины, возникающие в процессе плазменного напылении металлооксидного покрытия и способствуют повышению плотности покрытий. В процессе высокотемпературного осаждения оксидная составляющая плавится в органическое целое с металлической в области границы раздела, элементы диффундируют и проникают друг в друга, поэтому граница раздела не является четко определенной, нет очевидных границ между слоис-тыми структурами, наравне с химическими и механическими связями присутствуют и металлургические связи. При установленных нами оптимальных параметрах напыления в системе покрытия наблюдается микрогетерогенная структура с содержанием элементов, обеспечивающих его износостойкость (орторомбическая фаза оксида титана, Cr1,12Ni2,88, a-Al2O3, γ-Al2O3). Происходит растекание расплавленных порошковых частиц на подложке с минимальным разбрызгиванием и потерями при ударе о подложку. К основным кристаллическим фазам в системе сформированного покрытия можно отнести Cr1,12Ni2,88, γ-Al2O3, анатаз (TiO2) в дополнение к рутилу и a-Al2O3. При анализе дифракционные пики у рутила выявляются в пределах 2θ = 32° и 2θ = 70°, при этом содержание растет после процесса распыления, что подтверждает переход из фазы анатаза в рутильную фазу при высокой температуре. На основании результатов количественного анализа установлено, что содержание в покрытии a-Al2O3 и рутила TiO2 составляет примерно 30,4 и 32,2 % соответственно, являясь при этом основными фазовыми структурами покрытий. Проведены исследования по влиянию дистанций процесса плазменного напыления на эксплуатационные характеристики износостойких плазменных покрытий – прочность сцепления, твердость и пористость.

The paper deals with the studies of plasma coatings formed under optimal technological conditions from Al2O3–TiO2–NiCrAlYТа powder compositions. They have an acceptable density and have a number of surface defects acceptable for operation – pores and cracks. Large-dimensional ceramic Al2O3–TiO2 particles are embedded in the NiCrAlYТа matrix during the formation of the coating. This structure is associated with the mobility of the molten liquid-phase components of NiCrAlYТа, which tend to fill gaps and cracks that occur during plasma spraying of metal oxide coating and contribute to an increase in the density of coatings. In the process of high-temperature deposition, the oxide component melts into an organic whole with a metal one in the area of the interface, the elements diffuse and penetrate each other, so the interface is not clearly defined, there are no obvious boundaries between layered structures. These structures, along with chemical and mechanical bonds, also contain metallurgical bonds. With the optimal spraying parameters we have established, a microheterogeneous structure is observed in the coating system with the content of elements that ensure its wear resistance (orthorhombic phase of titanium oxide, Cr1.12Ni2.88, a-Al2O3, γ-Al2O3). Spreading of molten powder particles on the substrate occurs with minimal spattering and losses upon impact on the substrate. The main crystalline phases in the system of the formed coating include Cr1.12Ni2.88, γ-Al2O3, anatase (TiO2) in addition to rutile, and a-Al2O3. In the analysis, diffraction peaks in rutile are detected in the ranges 2θ = 32° and 2θ = 70°, while the content increases after the sputtering process, which confirms the transition from the anatase phase to the rutile phase at high temperature. Based on the results of quantitative analysis, the content in coating of a-Al2O3 and rutile TiO2 is approximately 30.4 % and 32.2 %, respectively, being the main phase structures of the coatings. Studies have been carried out on the influence of distances of the plasma spraying process on the performance characteristics of wear-resistant plasma coatings – adhesion strength, hardness and porosity.

процессы плазменного напыленияпорошковые композицииплазменное напыление на воздухеметаллические сплавы на основе никеляоксидная керамикаэксплуатационные характеристикиморфология и структураplasma spraying processespowder compositionsplasma spraying in airnickel-based metal alloysoxide ceramicsperformance characteristicsmorphology and structureReferencesMicrowave Dielectric Properties of Low energy Plasma Coated NiCrAlY / Al2O3 Composite / Liang Zhou [et al.] // Surface and Coatings Technology. 2015. Vol. 210. P. 122–126. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.09.002.Zhou L., Zhou W., Luo F., Su J., Zhu D., Dong Y. (2015) Microwave Dielectric Properties of Low-energy Plasma-Coated NiCrAlY / Al2O3 Composite. Surface and Coa-tings Technology, 210, 122–126. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.09.002Bowler, N. Designing Dielectric Loss at Microwave Frequencies Using Multi-Layered Filler Particles in a Composite / N. Bowler // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2006. Vol. 13, Nо 4. P. 703–711. https://doi.org/10.1109/tdei.2006.1667727.Bowler N. (2006) Designing Dielectric Loss at Microwave Frequencies Using Multi-Layered Filler Particles in a Composite. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 13 (4), 703–711. https://doi.org/10.1109/tdei.2006.1667727.Tribology of NiCrAlY+Al2O3 Composite Coatings by Plasma Spraying with Hybrid Feeding of Dry Powder+Suspension / G. Bolelli [et al.] // Wear. 2015. Vol. 344–345. P. 69–85. https://doi.org/10.1016/j.wear.2015.10.014.Bolelli G., Candeli A., Lusvarghi L., Ravaux A., Cazes K., Denoirjean A., Valette S., Chazelas C., Meillot E., Bianchi L. (2015) Tribology of NiCrAlY+Al2O3 Composite Coatings by Plasma Spraying with Hybrid Feeding of Dry Powder+Suspension. Wear, 344–345, 69–85. https:// doi.org/10.1016/j.wear.2015.10.014.Tolpygo, V. K. Surface Rumpling of a (Ni, Pt) Al Bond Coat Induced by Cyclic Oxidation / V. K. Tolpygo, D. R. Clarke // Acta Mater. 2000. Vol. 48, Nо 13. P. 3283–3293. https://doi.org/10.1016/s1359-6454(00)00156-7.Tolpygo V. K., Clarke D. R. (2000) Surface Rumpling of a (Ni, Pt) Al Bond Coat Induced by Cyclic Oxidation. Acta Materialia, 48 (3), 3283–3293. https://doi.org/10.1016/s1359-6454(00)00156-7.Hybrid Intermetallic Ru/Pt-Modified Bond Coatings for Thermal Barrier Systems / B. Tryon [et al.] // Surface and Coatings Technology. 2012. Vol. 202, Nо 2. P. 349–361. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.05.086.Tryon B., Murphy K. S., Yang J. Y., Levi C. G., Pollock T. M. (2012) Hybrid Intermetallic Ru/Pt-Modified bond Coatings for Thermal Barrier Systems. Surface and Coa-tings Technology, 202 (2), 349–361. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.05.086.Oxidation Resistance of a Zr-Doped NiAl Coating Thermos Chemically Deposited on a Nickel-Based Super Alloy / S. Hamadi [et al.] // Surface and Coatings Techno-logy. 2009. Vol. 204, Nо 6–7. P. 756–760. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2009.09.073.Hamadi S., Bacos M.-P., Poulain M., Seyeux A., Maurice V., Marcus P. (2013) Oxidation Resistance of a Zr-Doped NiAl Coating Thermos Chemically Deposited on a Nickel-Based Super Alloy. Surface and Coatings Technology, 204 (6–7), 756–760. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2009.09.073.Influence of Substrate Material on Oxidation Beha-vior and Cyclic Lifetime of EB-PVD TBC Systems / U. Schulz [et al.] // Surface and Coatings Technology. 2001. Vol. 146–147. P. 117–123. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01481-5.Schulz U., Menzebach M., Leyens C., Q Yang Y. (2001) Influence of Substrate Material on Oxidation Behavior and Cyclic Lifetime of EB-PVD TBC Systems. Surface and Coatings Technology, 146-147, 117–123. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01481-5Gao, J. G. Fabrication and High Temperature Oxidation Resistance of ZrO2/Al2O3 Micro Laminated Coatings on Stainless steel / J. G. Gao, Y. D. He, D. R. Wang // Materials Chemistry and Physics. 2010. Vol. 123, Nо 2–3. P. 731–736. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2010.05.047.Gao J. G., He Y. D., Wang D. R. (2010) Fabrication and High Temperature Oxidation Resistance of ZrO2/Al2O3 Micro Laminated Coatings on Stainless Steel. Materials Chemistry and Physics, 123 (2–3), 731–736. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2010.05.047.Sathish, S. Comparative Study on Corrosion Behavior of Plasma Sprayed Al2O3, ZrO2, Al2O3/ZrO2, ZrO2/Al2O3 Coatings / S. Sathish, M. Geetha // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2016. Vol. 26, Nо 5. P. 1336–1344. https://doi.org/10.1016/s1003-6326(16)64236-x.Sathish S., Geetha M. (2016) Comparative Study on Corrosion Behavior of Plasma Sprayed Al2O3, ZrO2, Al2O3/ZrO2, ZrO2/Al2O3 Coatings. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 26 (5), 1336–1344. https://doi.org/10.1016/s1003-6326(16)64236-x.A protective Ceramic Coating to Improve Oxidation and Thermal Shock Resistance on CrMn Alloy at Elevated Temperatures / X. Shan [et al.] // Ceramics International. 2015. Vol. 41, Nо 3, Part B. P. 4706–4713. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.12.019.Shan X., Wei L. Q., Zhang X. M., Li W. H., Tang W. X., Liu Y., Tong J., Ye S. F., Chen Y. F. (2015) A Protective Ceramic Coating to Improve Oxidation and Thermal Shock Resistance on CrMn Alloy at Elevated Temperatures. Ceramics International, 41 (3, Part B), 4706–4713. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.12.019.Microstructural Investigations of NiCrAlY + Y2O3 Stabilized ZrO2 Cermet Coatings Deposited by Plasma Transferred Arc (PTA) / C. Demian [et al.] // Surface and Coatings Technology. 2016. Vol. 300. P. 104–109. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.05.046.Demian C., Denoirjean A., Pawłowski L., Denoirjean P., El Ouardi R. (2016) Microstructural investigations of NiCrAlY + Y2O3 stabilized ZrO2 Cermet Coatings Deposited by Plasma Transferred arc (PTA). Surface and Coatings Technology, 300, 104–109. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.05.046.Mechanical Properties and Thermal Shock Resistance of HVOF Sprayed NiCrAlY Coatings Without and with Nano Ceriaт / X. Sun [et al.] // Journal of Thermal Spraying Technology. 2012. Vol. 21. P. 818–824. https://doi.org/10.1007/s11666-012-9760-3.Sun X., Chen S., Wang Y., Pan Z., Wang L. (2012) Mechanical Properties and Thermal Shock Resistance of HVOF Sprayed NiCrAlY Coatings Without and with Nano Ceria. Journal of Thermal Spraying Technology, 21, 818–824. https://doi.org/10.1007/s11666-012-9760-3.Формирование и исследование многослойных композиционных оксидных плазменных покрытий на элементах экранной противометеорной защиты / В. А. Оковитый [и др.] // Наука и техника. 2016. Т. 15, № 5. С. 357–364. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2016-15-5-357-364.Okovity V. A., Panteleenko F. I., Devoino O. G., Okovi-ty V. V., Astashinsky V. M., Hramtsov P. P., Cher-nik M. Yu., Uglov V. V., Sobolevskу S. B. (2016) Formation and Research of multi-Layer Composite Plasma Oxide Coatings Based on Elements of Screen Meteroid Ptotection. Nauka i Tehnika = Science & Technique, 15 (5), 357–364. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2016-15-5-357-364 (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 Zirconium dioxide – Nichrome Coatings. Aktualnye Problemy v Mashinostroenii [Actual Problems in Mechanical Engineering], 4 (3), 100–105 (in Russian).Многослойные композиционные плазменные оксидных 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. M., Hramtsov P. P., Cernik M. Y., Ug-lov V. V., Chimanskiy V. I., Cerenda N. N., Sobolew-ski S. B. (2017) Multilayer Composite Plasma Coatings on Screen Protection Elements Based on Zirconium Dio-xide. Nauka i Tehnika = Science & Technique, 16 (5), 422–431. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2017-16-5-422-431 (in Russian).Формирование и исследование плазменных двухслойных композиционных покрытий (вязкий металлический слой NiCr и твердый ZrO2) / В. А. Оковитый [и др.] // Наука и техника. 2018. Т. 17, № 1. С. 21–28. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2018-17-1-21-28.Okovity V. A., Panteleenko F. I., Okovity V. V., Asta-shinsky V. M., Hramtsov P. P., Chernik M. Y., Uglov V. V., Chimanskiy V. I., Cerenda N. N., Sobolewski S. B. (2018) Formation and Study of Plasma Spraying Double-Layer Composite Coatings (Viscous Metallic NiCr and Solid ZrO2 Layer). Nauka i Tehnika = Science & Technique, 17 (1), 21–28. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2018-17-1-21-28 (in Russian).Формирование плазменных порошковых покрытий из металлокерамики с последующим высокоэнергетическим модифицированием / В. А. Оковитый [и др.] // Наука и техника. 2020. Т. 19, № 6. С. 469–474. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2020-19-6-469-474.Okovity V. A., Panteleenko F. I., Okovity V. V., Astashinsky V. M. (2020) Formation of Plasma Powder Coatings from Cermet with Subsequent High-Energy Modification. Nauka i Tehnika = Science & Technique, 19 (6), 469–474. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2020-19-6-469-474 (in Russian).Разработка композиционного материала на основе керамики с применением добавок соединений тугоплавких металлов / Ф. И. Пантелеенко [и др.] // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2020. № 4 (140). С. 18–24. https://doi.org/10.26730/1999-4125-2020-4-18-24.Panteleenko F. I., Okovity V. A., Sidorov V. A., Okovity V. V., Astashinsky V. M., Rafal K. (2020) Development of Composite Material Based on Ceramics with the use of Additives of Refractory Metal Compounds. Vestnik Kuzbasskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta = Bulletin of the Kuzbass State Technical University, (4), 18–24. https://doi.org/10.26730/1999-4125-2020-4-18-24 (in Russian).Оптимизация процесса нанесения покрытий из порошков металлокерамики методами плазменного напыления на воздухе / В. А. Оковитый [и др.] // Наука и техника. 2021. Т. 20, № 5. С. 369–374. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2021-20-5-369-374.Okovity V. A., Panteleenko F. I., Okovity V. V., Astashinsky V. M. (2021) Optimization of Coating Process from Cermet Powders by Plasma Spraying in Air. Nauka i Tehnika = Science & Technique, 20 (5), 369–374. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2021-20-5-369-374 (in Russian).

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