satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical Universitysat-818Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGРАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВDEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR APPLICATION OF PLASMA COMPOSITE COATINGS BASED ON ZIRCONIUM DIOXIDE FOR SPACECRAFT SYSTEMSПантелеенкоФ. И.PanteleenkoF. I.,

Член-корреспондент НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор

Corresponding Member of NAS of Belarus, Professor, PhD in Engineering

scvdmed@bntu.byОковитыйВ. А.OkovityV. A.

Кандидат технических наук

Doctor of Engineering

scvdmed@bntu.byДевойноО. Г.DevoinoO. G.

Доктор технических наук, профессор

Professor, PhD in Engineering

scvdmed@bntu.byАсташинскийВ. М.AstashinskyV. M.

Доктор технических наук, профессор

Professor, PhD in Engineering

scvdmed@bntu.byОковитыйВ. В.OkovityV. V.

Аспирант

Graduate student

scvdmed@bntu.byСоболевскийС. Б.SobolewskiS. В.

Кандидат технических наук

Doctor of Engineering

scvdmed@bntu.byБелорусский 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 BelarusBelarusБелНИИТ ТранстехникаБеларусьBelarusian Scientific-Research Institute of Transport “Transtekhnika”Belarus2015270520150359Copyright © Пантелеенко Ф.И., Оковитый В.А., Девойно О.Г., Асташинский В.М., Оковитый В.В., Соболевский С.Б., 20152015Пантелеенко Ф.И., Оковитый В.А., Девойно О.Г., Асташинский В.М., Оковитый В.В., Соболевский С.Б.Panteleenko F.I., Okovity V.A., Devoino O.G., Astashinsky V.M., Okovity V.V., Sobolewski S.В.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/818

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. В силу простоты аппаратурного оформления, а также ощутимой эффективности в настоящее время для нанесения керамического слоя на основе частичного стабилизированного диоксида циркония в основном используется метод плазменного напыления в воздушной среде. Главной особенностью структуры плазменных антиметеоритных покрытий является то, что для увеличения допустимых деформаций керамики в ней формируют некоторую контролируемую пористость. Идея создания структур с контролируемой пористостью основана на том, что пористые тела менее склонны к макроскопическому растрескиванию под действием внутренних напряжений вследствие торможения либо отклонения растущей трещины порами, а также низкого модуля упругости пористых материалов по сравнению с компактными.

Методика проводимой работы основывалась на комплексных металлографических, рентгеноструктурных и электронно-микроскопических исследованиях антиметеоритного покрытия на основе диоксида циркония.

Для обеспечения высокой ударной вязкости структура антиметеоритного покрытия на основе диоксида циркония должна содержать более 90 % тетрагональной фазы диоксида циркония и менее 10 % моноклинной. При этом фазовый состав и ударная вязкость покрытий зависят как от химического состава, так и от способа получения порошка. Оптимизацию параметров напыления антиметеоритных покрытий на основе диоксида циркония проводили на основании получения максимального коэффициента использования материала и максимального содержания тетрагональной фазы диоксида циркония в напыленном покрытии.

The paper presents investigation results pertaining to the influence of such parameters as plasma jet (current, spraying distance, expenditure of plasma-forming gas – nitrogen), fraction composition of an initial powder and cooling rate with compressed air on characteristics of anti-meteoritic coatings. Due to simplicity of the apparatus design and its tangible efficiency a method of plasma spraying in aerial environment is mainly used presently for application of ceramic layer on the basis of partial stabilized zirconium dioxide. The main peculiar feature of plasma anti-meteoritic coating structure is formation of some controlled porosity in order to increase permissible deformations in ceramics. The idea to create structures with controlled porosity is based on the fact that porous bodies are less liable to macroscopic scattering of cracks under the action of internal stresses due to slowing-down or deviation of an extending crack by pores and also due to low elasticity modulus of porous materials in comparison with compact ones.

Methodology of the executed research works has been based on complex metallographic, X-ray and electronic and microscopic investigations of anti-meteoritic coatings on the basis of zirconium dioxide.

In order to ensure high impact strength the structure of anti-meteoritic coatings on the basis of zirconium dioxide should contain more than 90 % of tetragonal phase of zirconium dioxide and not less than 10 % of monoclinic phase. In this case phase composition and impact strength of coatings depend on chemical composition and production method of the powder. Optimization of parameters for spraying anti-meteoritic coatings based on zirconium dioxide has been carried out according to obtaining maximum coefficient of material usage and maximum content of tetragonal phase of zirconium dioxide in the sprayed coatings.

плазменные композиционные покрытиятехнология нанесениядиоксид циркониясистемы космических аппаратовplasma composite coatingsapplication technologyzirconium dioxidespacecraft systemsReferencesНанесение покрытий плазмой / В. В. Кудинов [и др.]. – М.: Наука, 1990. – 407 с.Kudinov, V. V., Pekshev, P. Iu., Belashchenko, V. E., Solonenko, O. P., Safiullin, V. A. (1990) Application of Plasma Coating. ?oscow, Nauka. 407 p. (in Russian).Газотермические покрытия / В. Н. Анциферов [и др.] ; под ред. В. Н. Анциферова. – Екатеринбург: Наука, 1994. – 317 с.Antsiferov, V. N., Shmakov, A. M., Ageev, S. S., Bulanov, V. Ia. (1994) Gas-Thermal Coatings. Ekaterinburg, Nauka. 317 p. (in Russian).Куприянов, И. Л. Газотермические покрытия с повышенной прочностью сцепления / И. Л. Куприянов, М. А. Геллер. – Минск: Навука i тэхнiка, 1990. – 176 с.Kupriyanov, I. L., Geller, M. A. (1990) GasThermal Coatings with High Binding Strength. Minsk, Navuka i Tekhnika. 176 p. (in Russian).Газотермическое напыление композиционных порошков / А. Я. Кулик [и др.]. – Л.: Машиностроение, 1985. – 199 с.Kulik, A. Ya., Borisov, Iu. S., Mnukhin, A. S., Nikitin, M. D. (1985) Gas-Thermal Evaporation of Composite Powders. Leningrad, Mashinostroenie. 199 p. (in Russian).Теплозащитные покрытия на основе ZrO2 / А. Ф. Ильющенко [и др.]. – Минск : НИИ ПМ c ОП, 1998. – 128 с.Il'iushchenko, A. F., Ivashko, V. S., Okovityi, V. A., Sobolevskii, S. B. (1998) Heat-Protective Coatings on ZrO2 basis. Minsk, Research Institute of Powder Metallurgy with Pilot Production. 128 p. (in Russian).Акишин, А. И. Космическое материаловедение : метод. и учеб. пособие / А. И. Акишин. – М.: НИИЯФ МГУ, 2007. – С. 209.Akishin, A. I. (2007) Space Material Science. ?oscow, Research Institute of Nuclear Physics, Moscow State University. 209 p. (in Russian).Модель космоса : в 2 т. / под ред. М. И. Панасюка, Л. С. Новикова. – Т. 2 : Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. – 8-е изд. – М.: Книжный дом «Университет», 2007. – 1143 с.Novikov, L. S., Panasiuk, M. I. (2007) Model Space. Vol. 2. Impact of Space Environment on Materials and Equipment of Spacecrafts. ?oscow, Bookshop “Universitet”. 1143 p. (in Russian).Effects of Space Conditions on Materials / Ed. A. I. Akishin. – New York: Nova Science Publ., 2001. – 199 p.Akishin, A. I. (2001) Effects of Space Conditions on Materials. New York, Nova Science Publ. 199 p.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. – 543 с.Ilyushchenko, A. F., Kundas, S. P., Dostanko, A. P., Okovityi, V. A., Gurevich, V. A., Gromyko, G. F., Zaiats, G. M., Kuz'menkov, A. N., Vitiaz', P. A. (1999) Processes of Plasma Coating Application: Theory and Practices. Minsk: Armita – Marketing, Management, 543 ?. (in Russian).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.Хасуй, А. Техника напыления / А. Хасуй. – М.: Машиностроение, 1975. – 286 с.Hasuy, ?. (1975) Spraying Techniques. ?oscow, Mashinostroenie. 286 p. (in Russian).Борисов, Ю. С. Применение плазменных покрытий в машиностроении / Ю. С. Борисов, Д. И. Гнатенко, А. С. Куликов // Защитные покрытия на металлах: сб. статей. – Киев: Навук. думка, 1979. – Вып. 13. – С. 103–106.Borisov, Yu. S., Gnatenko, D. I., Kulikov, A. S. (1979) Application of Plasma Coating in Mechanical Engineering. Protective Coatings on Metal. Collected Book. Kiev: Navukova Dumka [Scientific Thought], 13, 103–106 (in Russian).Eschnauer, H. Pulverfoermige Keramische Werkstoffe zum Plasmaspritzen / H. Eschnauer [et al.] // Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft. – 1980. – Vol. 57, No 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 (German).McClocklin, R. S. Thermal-Spray Coatings for Computer Components / R. S. McClocklin, B. A. Teal //Journal of Vacuum Science Technology. – 1975. – Т. 12, № 4. – P. 784–785.McClocklin, R. S., Teal, B. A. (1975) ThermalSpray Coatings for Computer Components. Journal of Vacuum Science Technology, 12 (4), 784–785. Doi.org/10.1116/1.568671.Вяльцев, А. М. Синтез керамических материалов для высокоплотных покрытий / А. М. Вяльцев // Получение и исследование свойств новых материалов: сб. статей. – Киев: ИПМ, 1988. – С. 149–153.Vialtsev, A. M. (1988) Synthesis of Ceramic Materials for High-Density Coatings. Obtaining and Investigation of New Material Properties. Collection of Articles. Kiev: IPM Publ. 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., Il'iushchenko, A. F., Okovityi, V. A., Sobolevskii, S. B. (1997) Modern Technologies for Application of Thermal Protective Ceramic Coatings. Izvestiia Belorusskoi Inzhenernoi Akademii [News of Belarusian Engineering Academy], 2 (4), 28–32 (in Russian).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.Il'iushchenko, A., Okovityi, V., Sobolevskii, S. (1997) Aspects of Deposition of the Thermal Barrier Coatings. Proc. of the International Conf. TECHNOLOGY-97, 12 September 1997. Bratislava, 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., Il'iushchenko, A., Okovityi, V. (1997) Effect of Chemical, Phase Composition and Heat Resistance of a Ceramic Layer Coating on Resistance to Temperature Cycling. Proc. of the 4-st International Conference Danube Adria Association for Automation Manufacturing, 14 December 1997. Tallinn, Estonia, 137–140.Особенности формирования керамического слоя теплозащитного покрытия / П. А. Витязь [и др.] // Порошковая металлургия. – 1997. – № 20. – С. 81–86.Vitiaz', P. A., Il'iushchenko, A. F., Okovityi, V. A., Ivashko, V. S. (1997) Specific Features of Ceramic Layer Formation in Thermal Protective Coating. Poroshkovoya Metallurgiya [Powder Metallurgy], 20, 81–86 (in Russian).

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