satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2017-16-1-21-27sat-975Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGРАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙDEVELOPMENT OF COMPLEX EQUIPMENT FOR PLASMA SPRAY CERAMIC COATINGSОковитыйВ. В.OkovityV. V.

Аспирант 

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 Vyacheslav A. – Belarusian National Technical University, 65 Nezavisimosty Ave., 220013, Minsk.  Tel.: +375 17 293-93-71    niil_svarka@bntu.by

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

Professor, PhD in Engineering

ОковитыйВ. А.OkovityV. A.

Кандидат технических наук

PhD in Engineering

ПантелеенкоФ. И.PanteleenkoF. I.

Член-корреспондент НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор

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

АсташинскийВ. М.AstashinskyV. M.

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

Corresponding Member of NAS of Belarus, Professor, PhD in Physics and Mathematics

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 BelarusBelarus2017310120171612127Copyright © Оковитый В.В., Девойно О.Г., Оковитый В.А., Пантелеенко Ф.И., Асташинский В.М., 20172017Оковитый В.В., Девойно О.Г., Оковитый В.А., Пантелеенко Ф.И., Асташинский В.М.Okovity V.V., Devoino O.G., Okovity V.A., Panteleenko F.I., Astashinsky 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/975

Разработан комплекс оборудования для формирования плазменных керамических покрытий, приведены характеристики и результаты тестирования данного комплекса. Методика экспериментов основана на исследованиях структурных элементов композиционных плазменных покрытий системы ZrO2 – Y2О3, полученных с помощью разработанного комплекса оборудования. Один из наиболее эффективных способов защиты деталей от высокотемпературной коррозии и окисления – формирование на их поверхности плазменных теплозащитных покрытий. К теплозащитным покрытиям предъявляются очень жесткие требования: они должны характеризоваться плавным изменением физико-механических свойств (пористости, микротвердости, модулей упругости) в сечении от металлической основы к внешнему керамическому слою; выдерживать многократные циклы теплосмен в пределах от комнатной температуры до температуры эксплуатации; сохранять газонепроницаемость в условиях эксплуатации и обеспечивать при этом достаточно высокий уровень адгезионной прочности. Для реализации новых технологических схем нанесения тепло- защитных покрытий с повышенными эксплуатационными характеристиками разработан, запатентован и изготовлен целый спектр нового оборудования. Предлагаемые авторами плазмотрон ПБГ-1 и порошковый питатель ППБГ-04 имеют минимум в 2–3 раза больше ресурс работы при напылении керамических материалов по сравнению с серий- ным оборудованием фирмы «Плазма-Техник». Это достигается за счет изменения конструкций катодно-анодного узла плазмотрона и подающего узла питателя, способствующих равномерной подаче порошка в плазменную струю и лучшему его проплавлению. В результате получаются более качественные плазменные покрытия, с повышенными эксплуатационными характеристиками: прочность сцепления увеличивается в 1,3–2 раза, коэффициент использова- ния материала – в 1,5–1,6 раза, микротвердость – в 1,2–1,4 раза, пористость уменьшается в 2–2,5 раза.

Develop a set equipment for plasma forming ceramic coatings. The article presents characteristics and parameters of the developed complex equipment for formation of plasma ceramic coatings as well as results of its testing. Methods of research is based on studies of structural elements composite plasma coatings system ZrO2 – Y2O3  obtained  using  developed complex equipment. One of the most effective ways to protect the components from high temperature corrosion and oxidation is formation on the surface of plasma thermal barrier coatings. For thermal barrier coating has very strict requirements: сharacterized by a smooth change of physico-mechanical properties (porosity, microhardness, elastic modulus) in the cross section of the metal substrate to the outer ceramic layer; to withstand multiple cycles of thermal cycling from room temperature to the operating temperature; to maintain gastightness under operating conditions and thus ensure a sufficiently high level of adhesive strength. For realization of new technological schemes applying thermal barrier coatings with high operational characteristics was developed, patented and manufactured a range of new equipment. The experiments show that authors developed PBG-1 plasmatron and powder feeder PPBG-04 have at least 2–3 times the service life during the deposition of ceramic materials compared to the standard equipment of the company "Plasma-Technik", by changing the structure of the cathode-anode plasma torch assembly and construction of the delivery unit of the feeder to facilitate the uniform supply of the powder into the plasma jet and the best of his penetration. The result is better plasma coatings with improved operational characteristics: adhesion strength is increased to 1.3–2 times, material utilization in 1.5–1.6 times microhardness 1.2–1.4 times the porosity is reduced by 2–2.5 times.

плазменные керамические покрытиядиоксид цирконияплазмотронпорошковый питательэкс- плуатационные характеристикипрочность сцепленияпористостьplasma coating ceramiczirconiaplasmatronpowder feederoperating characteristicsadhesive strengthporosityReferencesСтернс, К. А. Теплозащитные покрытия / К. А. Стернс // Аэрокосмическая техника. 1997. № 10. С. 144–164.Sterns K. A. (1997) Thermal barrier coatings. Aerokosmicheskaya Tekhnika [Aerospace Equipment], (10), 144–164 (in Russian).Ruckle D. L. Plasma-Sprayed Ceramic Thermal Barrier Coatings for Turbine Vane Platforms / Duane L Ruckle // Thin Solid Films. 1980. Vol. 73, №2. P. 455–461.Duane L Ruckle (1980) Plasma-Sprayed Ceramic Thermal Barrier Coatings for Turbine Vane Platforms. Thin Solid Films, 73, (2), 455–461. doi:10.1016/0040-6090(80)90514-3Stecura, S. New ZrO2 – YbO Plasma-Sprayed Coatings for Thermal Barrier Applications / S. Stecura // Thin Solid Films. 1987. Vol. 150, No 1. P. 15–40.Stecura S. (1987) New ZrO2 – YbO Plasma-Sprayed Coatings for Thermal Barrier Applications. Thin Solid Films, 150 (1), 15–40. doi:10.1016/0040-6090(87)90305-1Fairbanks, S. W. The Durability and Performance of Coatings in Gas Turbine and Diesel Engines / S. W. Fairbanks, R. J. Hecht // Materials Science and Enginering. 1987. Vol. 88. P. 321–330.Fairbanks S. W., Hecht R. J. (1987) The Durability and Performance of Coatings in Gas Turbine and Diesel Engines. Materials Science and Enginering, 88, 321–330. doi:10.1016/0025-5416(87)90101-7Suhr, D. S. Microstructure and Durability of Zirconia Thermal Barrier Coatings: Thesis (Ph. D.) 5756909 / D. S. Suhr. Cleveland, OH (USA): Case Western Reserve Univ.Suhr D. S. (1984) Microstructure and Durability of Zirconia Thermal Barrier Coatings. Thesis (Ph. D.) 5756909. Cleveland, OH (USA).Case Western Reserve Univ.Miller, R. A. Performance of Thermal Barrier Coatings in High Hear Flues / R. A. Miller, C. Christopher // Thin Solid Films. 1984. Vol. 119, No 2. P. 195–202.Miller R. A., Christopher C. (1984) Performance of Thermal Barrier Coatings in High Hear Flues. Thin Solid Films, 119 (2), 195–202. doi:10.1016/0040-6090(84)90534-0Therinomechanical Behaviour of Plasma-Sprayed ZrO2 – Y2O3 Coatings Influenced by Plasticity Creep and Oxidation / J. Padovan [et al.] // 11th Annual Conference on Composites and Advanced Ceramic Materials: Ceramic Engineering and Science Proceedings. John Wiley & Sons, 1987. Vol. 8, Issue 7/8. P. 572-582.Padovan J., Chung B. T. F., McDonald G. E., Hendricks R. C. (1987) Therinomechanical Behaviour of Plasma-Sprayed ZrO2 – Y2O3 Coatings Influenced by Plasticity Creep and Oxidation. 11th Annual Conference on Composites and Advanced Ceramic Materials: Ceramic Engineering and Science Proceedings. John Wiley & Sons, 8 (7/8), 572-582. DOI: 10.1002/9780470320402.ch10Создание градиентных плазменных покрытий на основе диоксида циркония, стабилизированного диоксидом иттербия / В. А. Оковитый [и др.] // Вестник Белорусского национального технического университета. 2011. № 6. С. 5-8.Okovity V. A., Panteleenko F. I., Devoino O. G., Okovity V. V., Sobolevsky S. V., Shevtsov A. I. (2011) Creation of gradient plasma-sprayed coatings on basis of zirconium dioxide stabilized with ytterbium dioxide. Vestnik BNTU [Bulletin of the Belarusian National Technical University], (6), 5–8 (in Russian).Композиционный порошок на основе диоксида циркония, частично стабилизированный оксидом иттербия / В. А. Оковитый [и др.] // Порошковая металлургия : республиканский межведомственный сборник. Минск: Вышэйшая школа, 2012. Вып. 35. С. 80–85.Okovityi V. V., Il'iushchenko A. F., Devoino O. G., Shevtsov A. I., Sobolevskii S. B. (2012) Composite Powder on the Basis of Zirconium Dioxide Partially Stabilized with Ytterbium Oxide. Poroshkovaia metallurgiia. Respublikanskii mezhvedomstvennyi sbornik [Powder Metallurgy. Republican interdepartmental collection]. Minsk, Vysheishaia shkola Publ., Is. 35, 80–85 (in Russian).Процесс получения композиционного порошка на основе гидроксиапатита и диоксида циркония для нанесения плазменных биокерамических покрытий / В. А. Оковитый [и др.] // Наука и техника. 2013. № 1. С. 31–38.Okovity V. A., Panteleenko F., Panteleenko A., Okovity V. V., Kulak A., Ulasevich S. (2013) Th? process of composite powder production ?n the base hydroxyapatite and zirconium dioxide for plasma bioceramic coatings. Nauka i Tekhnika [Science & Technique], (1), 31–38 (in Russian).Создание градиентных плазменных покрытий на основе диоксида циркония, частично стабилизированных оксидом церия / В. А. Оковитый [и др.] // Порошковая металлургия. 2013. № 36. С. 331–337.Okovityi V. A., Il'iushchenko A. F., Devoino O. G., Shevtsov A. I. (2013) Creation of Gradient Plasma Coatings on the Basis on Zirconium Dioxide Partially Stabilized with Cerium Oxide. Poroshkovaia metallurgiia. Respublikanskii mezhvedomstvennyi sbornik [Powder Metallurgy. Republican interdepartmental collection]. Minsk, Vysheishaia shkola Publ., Is. 36, 331–337 (in Russian).Девойно, О. Г. Композиционный порошок на основе диоксида циркония, частично стабилизированный оксидом церия / О. Г. Девойно, В. В. Оковитый // Наука и техника. 2013. № 6. С. 3–8.Devoino O. G., Okovity V. V. (2013) Composite Powder on the Basis of Zirconium Dioxide Partially Stabilized with Cerium Oxide. Nauka i Tekhnika [Science & Technique], (6), 3–8 (in Russian).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 and Technique], (1), 35–39 (in Russian).Плазмотрон для нанесения покрытий: пат. 14906 Респ. Беларусь, МПК С23C4/04 / В. А. Оковитый, А. И. Шевцов, О. Г. Девойно, В. В. Оковитый; дата публ.: 30.10.2010.Okovity V. A., Shevtsov A. I., Devoino O. G., Okovity V. V. (2010) Plasmatron for coating deposition. Patent 14906 Republic of Belarus (in Russian).Порошковый питатель для нанесения покрытий: пат. 16809 Респ. Беларусь, МПК B 22С 9/08; B 23K 5/18 / В. А. Оковитый, А. Ф. Ильющенко, А. И. Шевцов, В. М. Асташинский, В. В. Оковитый; дата публ.: 28.02.2013.Okovity V. A., Ilyushchenko A. F., Shevtsov A. I., Astashinsky V. M., Okovity V. V. (2013) Powder Feeder for Coating Deposition. Patent. 16809 Republic of Belarus (in Russian).Плазмотрон для нанесения покрытия на внутренние поверхности деталей: пат. на полезную модель 8930 Респ. Беларусь, МПК H 05H 1/00 / В. В. Оковитый; дата публ.: 28.02.2013.Okovity V. V. (2013) Plasmatron for Coating Deposition on Internal Surfaces of Parts: Utility Model Patent 8930 Republic of Belarus (in Russian).Плазмотрон для нанесения покрытия: пат. на полезную модель 9423 Респ. Беларусь, МПК H 05H 1/00 / В. В. Оковитый; заявитель – БНТУ, № u 20121081; заявл. 12.05.2012, опубл. 30.08.2013 // Афiцыйны бюл. Нац. цэнтр iнтэлектуал. уласнасцi. 2013. № 4.Okovity V. V. (2013) Plasmatron for Coating Deposition. Utility Model Patent 9423 Republic of Belarus (in Russian).Порошковый питатель для нанесения покрытий: пат. на полезную модель 9665 Респ. Беларусь, МПК H 05H 1/00 / В. В. Оковитый; дата публ. 30.10.2013.Powder Feeder for Coating Deposition. Utility Model Patent 9665 Republic of Belarus (in Russian).Плазмотрон для нанесения покрытия: пат. на полезную модель 10210 Респ. Беларусь, МПК H 05H 1/00 / В. В. Оковитый; дата публ. 30.08.2014.Okovity V. V. (2014) Plasmatron for Coating Deposition: Utility Model Patent 10210 Republic of Belarus (in Russian).

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