Исследование структуры и свойств многослойных плазменных порошковых покрытий из керамики и сплавов на основе никеля

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, Cr_1,12Ni_2,88, 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 Cr_1,12Ni_2,88, 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.

1. Microwave 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.

2. Bowler, 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Gao, 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.