Многослойные композиционные плазменные покрытия на основе оксидной керамики и м-кролей

Рассмотрено влияние параметров процесса плазменного напыления на технологические характеристики многослойных покрытий на базе материалов никель-хром и никель-хром-алюминий-иттрий, оксидной керамики, предназначенных для эксплуатации при высоких температурных и дополнительных динамических нагрузках. Конструирование плазменных покрытий при их нанесении (с последующей высокоэнергетической обработкой) в таких условиях требует комплексного решения – как применения качественных порошковых ингредиентов, так и оптимизации технологических параметров. Усовершенствован плазменный процесс нанесения порошковых материалов для получения максимальных значений их коэффициентов использования. Оптимизированы технологические характеристики, оказывающие влияние на свойства плазменных покрытий, а именно: величины расходов плазмообразующего и транспортирующего материалы газов, расход подаваемых порошковых материалов, ток и напряжение электрической дуги плазменной горелки, расстояние  от среза сопла плазмотрона до подложки. В статье приведены результаты исследований структуры покрытий, выполненных с применением растровой электронной микроскопии. Их анализ позволил сформировать общие закономерности, получаемые при воздействии излучения компрессионных плазменных потоков на сформированные воздушной плазмой покрытия. Рассмотренные структуры созданы при помощи процессов плавления, уплотнения и высокоскоростного охлаждения плазменных покрытий. Основные показатели оптимизации – максимальное локальное уплотнение и проплавление полученных композиций с отсутствием дефектов и разрушений от воздействия потоков компрессионной плазмы. Главный эффект при воздействии излучения компрессионного плазменного потока на ранее сформированные покрытия – тепловой.  Он способствует нагреву приповерхностного слоя. При действии на покрытия излучения компрессионных плазменных потоков создается переплавленный слой оксидов толщиной порядка 12–15 мкм, сглаживающий рельеф сформированной поверхности и создающий на поверхности сетку трещин, расходящихся в глубину покрытия. Происходящие в расплавленной фазе приповерхностных слоев жидкофазные процессы после воздействия излучения компрессионной плазмы изменяют структуру слоев и способствуют модификации их механических свойств. Благодаря сглаживанию поверхности, увеличению плотности поверхностного закристаллизованного слоя и минимизации макродефектов – пор или макротрещин – повышаются механические характеристики покрытий.

1. Panteleenko F. I., Okovity V. A. (2019) Formation of Multifunctional Plasma Coatings Based on Ceramic Materials. Minsk, BNTU. 251 (in Russian).

2. Devoino O. G., Okovitogo V. V. (2014) Plasma Heat-Protective Coatings Based on Zirconium Dioxide with Increased Heat Resistance. Nauka i Tekhnika = Science & Technique, (6), 3–10 (in Russian).

3. Panteleenko F. I., Okovity V. A., Devoino O. G., Astashinsky V. M., Okovity V. V., Sobolevsky S. B. (2015) Development of Technology for Applying Plasma Composite Coatings Based on Zirconium Dioxide for Spacecraft Systems. Nauka i Tekhnika = Science & Technique, (3), 5–9 (in Russian).

4. Okovity V. V. (2015) The Choice of Oxides for Stabilizing Zirconium Dioxide in the Production of Heat-Protective Coatings of Devices. Nauka i Tekhnika = Science & Technique, (5), 26–32 (in Russian).

5. Devoino O. G., Okovity V. V. (2015) High-Energy Processing of Plasma Coatings Based on Zirconium Dioxide. Innovatsii v Mashinostroenii (InMash-2015): Sbornik Trudov VII Mezhdunarodnoi Nauchno-Prakticheskoi Konferentsii [Innovations in Engineering (InMash-2015): Proceedings of the VII International Scientific and Practical Conference]. Kemerovo, T. F. Gorbachev State Technical University, 332–335 (in Russian).

6. Khoddami A. M., Sabour A., Hadavi S. M. M. (2007) Microstructure Formation in Thermallysprayed Duplex and Functionally Graded NiCrAlY/Yttria-Stabilized Zirconia Coatings. Surface and Coatings Technology, 201 (12), 6019–6024. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.11.020.

7. Davis J. R. (2004) Handbook of Thermal Spraying Technology. ASM International. 338.

8. Bergstrom T., Yetrehus T. (1984) Gas Motion in Front of a Completely Absorbing Wall. The Physics of Fluids, 27 (3), 583–588. https://doi.org/10.1063/1.864655.

9. Mann B. S., Prakash B. (2000) High Temperature Friction and Wear Characteristics of Various Coating Materials for Steam Valve Spindle Application. Wear, 240 (1–2), 223–230. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(00)00390-2.

10. Johnson R. N. (1974) Wear Resistant Coatings for Reactor Components in Liquid Sodium Environments. Vacuum Science and Technology, 11 (4), 759–764. https://doi.org/10.1116/1.1312748.

11. Li C. C. (1980) Characterization of Thermally Sprayed Coatings for High Temperature Wear Protection Applications. Thin Solid Films, 73 (1), 59–77. https://doi.org/10.1016/0040-6090(80)90329-6.

12. Bryan W. J., Jones D. (1995) Wear Resistant Coating for Components of Fuel Assemblies and Control Assemblies, and Method of Enhancing Wear Resistance of Fuel Assembly and Control Assembly Components Using Wear-Resistant Coating. Patent US No 5434896.

13. Matthews S., James B., Hyland M. (2013) High Temperature Erosion-Oxidation of Cr3C2–NiCr Thermal Spray Coatings under Simulated Turbine Conditions. Corrosion Science, 70, 203–211. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2013.01.030.

14. Bose S. (2007) High Temperature Coatings. Oxford, Butterworth-Heinemann. 293. https://doi.org/10.1016/B978-0-7506-8252-7.X5000-8.

15. Cabral-Miramontes J. A. (2014) Parameter Studies on High-Velocity Oxy-Fuel Spraying of CoNiCrAlY Coatings Used in the Aeronautical Industry. International Journal of Corrosion, (3), 1–8. https://doi.org/10.1155/2014/703806.

16. 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.

17. Sun X. (2012) Mechanical Properties and Thermal Shock Resistance of HVOF Sprayed NiCrAlY Coatings without and with Nano Shogiat. Journal of Thermal Spraying Technology, 21, 818–824. https://doi.org/10.1007/s11666-012-9760-3.

18. Zhou L. (2012) Microwave Dielectric Properties of Low Power Plasma Sprayed NiCrAlY/Al2O3 Composite Coatings. Surface and Coatings Technology, 210, 122–126. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.09.002.

19. Lee J. H., Lee D. B. (2010) Hot Corrosion of NiCrAlY/(ZrO2–CeO2–Y2O3) Composite Coatings in NaCl–Na2SO4 Molten Salt. Materials Science Forum, 658, 228–231. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.658.228.

20. Zhu C. (2015) Microstructure and Oxidation Behavior of Conventional and Pseudo Graded NiCrAlY/YSZ Thermal Barrier Coatings Produced by Supersonic Air Plasma Spraying Process. Surface and Coatings Technology, 272, 121–128. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.04.014.

21. Lee D. B., Lee C. (2005) High-Temperature Oxidation of NiCrAlY/ZrO2–Y2O3 and ZrO2– CeO2–Y2O3 Composite Coatings. Surface and Coatings Technology, 193 (1–3), 239–242. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.08.140.