МНОГОСЛОЙНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ ПЛАЗМЕННЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ЭЛЕМЕНТАХ ЭКРАННОЙ ЗАЩИТЫ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ

The paper contains results of investigations pertaining to an influence of plasma jet parameters (current, spraying distance, consumption of plasma formation gas (nitrogen)), fractional composition of initial powder and degree of cooling with compressed air on anti-meteoric coating characteristics. Optimum modes (arc current 600 A; spray distance of 110 mm; consumption of plasma formation gas (nitrogen) – 50 l/min; fractional composition of zirconium dioxide powder <50 μm; compressed air consumption for cooling – 1 m3/min; p = 4 bar) make it possible to obtain anti-meteoric coatings based on zirconium dioxide with material utilization rate of 62 %, total ceramic layer porosity of 6 %. After exposure of compression plasma flows on a coating in the nitrogen atmosphere a cubic modification of zirconium oxide is considered as the main phase being present in the coating. The lattice parameter of cubic zirconium oxide modification is equal to 0.5174 nm. Taking into consideration usage of nitrogen as plasma formation substance its interaction with zirconium coating atoms occurs and zirconium nitride (ZrN) is formed with a cubic crystal lattice (lattice parameter 0.4580 nm). Melting of pre-surface layer takes place and a depth of the melted layer is about 8 μm according to the results of a scanning electron microscopy. Pre-surface layer being crystallized after exposure to compression plasma flows is characterized by a homogeneous distribution of ele-ments and absence of pores formed in the process of coating formation. The coating structure is represented by a set of lar- ge (5–7 μm) and small (1–2 μm) zirconium oxide particles sintered against each other. Melting of coating surface layer and speed crystallization occur after the impact of compression plasma flows on the formed coating. Cracking of the surface layer arises due to origination of internal mechanical stresses in the crystallized part. While using a scanning electron microscopy a detailed analysis of the surface structure has permitted to reveal a formation of a cellular structure with an average cell size of less than 1 μm in the crystallized portion and formation of the cells can be caused by speed crystallization of the melted layer.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. На оптимальных режимах (ток дуги 600 А; дистанция напыления 110 мм; расход плазмообразующего газа азота 50 л/мин; фракционный состав порошка диоксида циркония <50 мкм; расход сжатого воздуха для охлаждения 1 м3/мин р = 4 атм) получаются антиметеоритные покрытия на основе диоксида циркония с коэффициентом использования материала 62 %; общую пористость керамического слоя 6 %. После воздействия на покрытие компрессионными плазменными потоками в атмосфере азота кубическая модификация оксида циркония является основной фазой, присутствующей в покрытии. Параметр решетки кубической модификации оксида циркония составляет 0,5174 нм. Ввиду использования азота в качестве плазмообразующего вещества, происходит его взаимодействие с атомами циркония покрытия и образуется нитрид циркония с-ZrN с кубической кристаллической решеткой (параметр решетки 0,4580 нм). Происходит плавление приповерхностного слоя, причем глубина расплавленного слоя, согласно результатам растровой электронной микроскопии, составляет около 8 мкм. Закристаллизовавшийся после воздействия компрессионными плазменными потоками приповерхностный слой характеризуется гомогенным распределением элементов и отсутствием пор, образованных при формировании покрытия. Структура самого покрытия представлена совокупностью крупных (5–7 мкм) и мелких (1–2 мкм) частиц оксида циркония, спеченных между собой. После воздействия компрессионными плазменными потоками на сформированное покрытие происходит плавление его поверхностного слоя и его скоростная кристаллизация. В результате возникновения внутренних механических напряжений в закристаллизовавшейся части происходит растрескивание поверхностного слоя. Детальный анализ структуры поверхности с помощью растровой электронной микроскопии позволил выявить формирование в закристаллизовавшейся части ячеистой структуры со средним размером ячеек менее 1 мкм, формирование которых может быть вызвано скоростной кристаллизацией расплавленного слоя.

ФОРМИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННЫХ ДВУХСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ (ВЯЗКИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ NiCr И ТВЕРДЫЙ ZrO2 СЛОИ)

. The paper presents results pertaining to investigations on influence of plasma jet parameters and fractional composition of initial powder on characteristics of two-layer composite coatings on the basis of nickel-chromium, and zirconium dioxide in the shielding elements. Optimization has been carried out on the basis of obtaining maximum powder use factor. A comparative analysis for dependence of the powder use factor in viscous metal layers of nickel-chrome and nickelaluminum on spraying distance shows that while having similar character of curves for the presented dependencies an absolute value of powder use factor is higher for nickel-chromium powder. It can be explained by a higher ductility of the latter and correspondingly smaller rebound of particles which are colliding with substrate. The investigation results for cross section microstructure in the formed coatings while using scanning electron microscopy are given in the paper. The paper considers cross section microstructures for ZrO2-coating and intermediate Ni–Cr layer. The submitted data reveal that an initial stage of the coating is characterized by porosity and an average pore size is of several micrometers, and in some areas its size reaches 20 mm. The microstructure of a Ni–Cr layer is characterized by lower porosity. Impact of compression plasma flows on sprayed coating leads toformation of fused oxide layer with thickness of 12–15 mm and contributes to smoothing of surface relief and formation of cracks on the surface which are preferably propagating into coating depth. Processing of oxide coatings by compression plasma also results in reduction of their porosity.В статье приведены результаты исследования влияния параметров плазменной струи и фракционного состава исходного порошка на характеристики двухслойных композиционных покрытий на основе никель-хрома и диоксида циркония на элементах защитных экранов. Проведена оптимизация на основании получения максимального коэффициента использования порошка. Сравнительный анализ зависимости коэффициента использования порошка вязких металлических слоев никель-хрома и никель-алюминия от дистанции напыления показывает, что при аналогичном характере кривых представленных зависимостей по абсолютной величине значения коэффициента использования порошка больше при оптимальных режимах для порошка никель-хрома. Это можно объяснить высокой пластичностью последнего и соответственно меньшим отскоком соударяющихся с подложкой частиц. Приведены результаты исследований микроструктуры поперечных сечений сформированных покрытий, выполненных с использованием растровой электронной микроскопии. Рассмотрены микроструктуры поперечных сечений покрытия ZrO2 и промежуточного слоя Ni–Cr. Из представленных данных видно, что в исходном состоянии покрытие характеризуется пористостью, причем средний размер пор составляет несколько микрометров и в некоторых областях достигает 20 мкм. Микроструктура слоя Ni–Cr характеризуется меньшей пористостью. Воздействие на напыленное покрытие компрессионных плазменных потоков приводит к формированию переплавленного слоя оксида толщиной 12–15 мкм, способствует сглаживанию рельефа поверхности и образованию на поверхности трещин, распространяющихся преимущественно в глубину покрытия. Обработка оксидных покрытий компрессионной плазмой приводит также к снижению их пористости

ФОРМИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОКСИДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ЭЛЕМЕНТАХ ЭКРАННОЙ ПРОТИВОМЕТЕОРНОЙ ЗАЩИТЫ

The paper presents results of research for influence of plasma jet parameters (current, spraying distance, plasmasupporting nitrogen gas consumption), fractional composition of an initial powder and cooling degree by compressed air on characteristics of anti-meteorite coatings, subsequent processing modes by pulsed plasma. Properties of the obtained coatings and results of ballistic tests have been given in the paper. The proposed methodology has been based on complex metallographic, X-ray diffraction and electron microscopic investigations of anti-meteorite aluminum oxide coating. Optimization of air plasma spraying parameters for NiAl and Al2O3 materials has been carried out in the paper. The spraying parameters optimization has been executed on the basis of obtaining maximum materials utilization factor. Surface treatment of model screen elements with a double-layer composite coating (adhesive metal NiAl layer and hard ceramic oxide Al2O3 layer) has been fulfilled while using compression plasma stream. Nitrogen has been used as working gas. Composite hard ceramic oxide Al2O3 coating is represented by porous structure consisting of 10–15 µm-size fused Al2O3 particles. Metallic inclusions formed due to erosion of plasmatron electrodes have been observed in the space between the particles. Surface of bilayer composite coatings has been processed by a compression plasma stream and due to nonsteady processes of melting and recrystallization high strength polycrystalline layer has been formed on their surface. In this context, those areas of the polycrystalline layer which had metal inclusions have appeared to be painted in various colors depending on chemical composition of the inclusions.Представлены результаты исследования влияния параметров плазменной струи (ток, дистанция напыления, расход плазмообразующего газа азота), фракционного состава исходного порошка и степени охлаждения сжатым воздухом на характеристики антиметеорных покрытий, режимы последующей обработки импульсной плазмой. Приведены свойства полученных покрытий и результаты баллистических испытаний. Предлагаемая методика основана на комплексных металлографических, рентгеноструктурных и электронно-микроскопических исследованиях антиметеорного покрытия на основе оксида алюминия. Осуществлена оптимизация параметров плазменного напыления на воздухе для материалов NiAl и Al2O3. Оптимизацию параметров напыления проводили на основании получения максимального коэффициента использования материала. Выполнена обработка поверхности модели элементов экранов с двухслойным композиционным покрытием (вязкий металлический слой NiAl и слой из твердой оксидной керамики Al2O3) компрессионным плазменным потоком. В качестве рабочего газа использовали азот. Композиционное покрытие из твердой оксидной керамики Al2O3 представляет собой пористую структуру, состоящую из сплавленных частиц Al2O3 размером 10–15 мкм. В пространстве между частицами наблюдались металлические вкрапления, образовавшиеся в результате эрозии электродов плазмотрона. После обработки поверхности двухслойных композиционных покрытий компрессионным плазменным потоком на ней в результате нестационарных процессов плавления и перекристаллизации образовался высокопрочный поликристаллический слой. При этом те области поликристаллического слоя, где были металлические вкрапления, оказались окрашенными в различные цвета в зависимости от химического состава вкрапления

MULTILAYER COMPOSITE PLASMA COATINGS ON SCREEN PROTECTION ELEMENTS BASED ON ZIRCONIUM DIOXIDE

The paper contains results of investigations pertaining to an influence of plasma jet parameters (current, spraying distance, consumption of plasma formation gas (nitrogen)), fractional composition of initial powder and degree of cooling with compressed air on anti-meteoric coating characteristics. Optimum modes (arc current 600 A; spray distance of 110 mm; consumption of plasma formation gas (nitrogen) – 50 l/min; fractional composition of zirconium dioxide powder <50 μm; compressed air consumption for cooling – 1 m3/min; p = 4 bar) make it possible to obtain anti-meteoric coatings based on zirconium dioxide with material utilization rate of 62 %, total ceramic layer porosity of 6 %. After exposure of compression plasma flows on a coating in the nitrogen atmosphere a cubic modification of zirconium oxide is considered as the main phase being present in the coating. The lattice parameter of cubic zirconium oxide modification is equal to 0.5174 nm. Taking into consideration usage of nitrogen as plasma formation substance its interaction with zirconium coating atoms occurs and zirconium nitride (ZrN) is formed with a cubic crystal lattice (lattice parameter 0.4580 nm). Melting of pre-surface layer takes place and a depth of the melted layer is about 8 μm according to the results of a scanning electron microscopy. Pre-surface layer being crystallized after exposure to compression plasma flows is characterized by a homogeneous distribution of ele-ments and absence of pores formed in the process of coating formation. The coating structure is represented by a set of lar- ge (5–7 μm) and small (1–2 μm) zirconium oxide particles sintered against each other. Melting of coating surface layer and speed crystallization occur after the impact of compression plasma flows on the formed coating. Cracking of the surface layer arises due to origination of internal mechanical stresses in the crystallized part. While using a scanning electron microscopy a detailed analysis of the surface structure has permitted to reveal a formation of a cellular structure with an average cell size of less than 1 μm in the crystallized portion and formation of the cells can be caused by speed crystallization of the melted layer

FORMATION AND STUDY OF PLASMA SPRAYING DOUBLE-LAYER COMPOSITE COATINGS (VISCOUS METALLIC NiCr AND SOLID ZrO2 LAYER)

. The paper presents results pertaining to investigations on influence of plasma jet parameters and fractional composition of initial powder on characteristics of two-layer composite coatings on the basis of nickel-chromium, and zirconium dioxide in the shielding elements. Optimization has been carried out on the basis of obtaining maximum powder use factor. A comparative analysis for dependence of the powder use factor in viscous metal layers of nickel-chrome and nickelaluminum on spraying distance shows that while having similar character of curves for the presented dependencies an absolute value of powder use factor is higher for nickel-chromium powder. It can be explained by a higher ductility of the latter and correspondingly smaller rebound of particles which are colliding with substrate. The investigation results for cross section microstructure in the formed coatings while using scanning electron microscopy are given in the paper. The paper considers cross section microstructures for ZrO2-coating and intermediate Ni–Cr layer. The submitted data reveal that an initial stage of the coating is characterized by porosity and an average pore size is of several micrometers, and in some areas its size reaches 20 mm. The microstructure of a Ni–Cr layer is characterized by lower porosity. Impact of compression plasma flows on sprayed coating leads toformation of fused oxide layer with thickness of 12–15 mm and contributes to smoothing of surface relief and formation of cracks on the surface which are preferably propagating into coating depth. Processing of oxide coatings by compression plasma also results in reduction of their porosity

FORMATION AND RESEARCH OF MULTI-LAYER COMPOSITE PLASMA OXIDE COATINGS BASED ON ELEMENTS OF SCREEN METEROID PTOTECTION

The paper presents results of research for influence of plasma jet parameters (current, spraying distance, plasmasupporting nitrogen gas consumption), fractional composition of an initial powder and cooling degree by compressed air on characteristics of anti-meteorite coatings, subsequent processing modes by pulsed plasma. Properties of the obtained coatings and results of ballistic tests have been given in the paper. The proposed methodology has been based on complex metallographic, X-ray diffraction and electron microscopic investigations of anti-meteorite aluminum oxide coating. Optimization of air plasma spraying parameters for NiAl and Al2O3 materials has been carried out in the paper. The spraying parameters optimization has been executed on the basis of obtaining maximum materials utilization factor. Surface treatment of model screen elements with a double-layer composite coating (adhesive metal NiAl layer and hard ceramic oxide Al2O3 layer) has been fulfilled while using compression plasma stream. Nitrogen has been used as working gas. Composite hard ceramic oxide Al2O3 coating is represented by porous structure consisting of 10–15 µm-size fused Al2O3 particles. Metallic inclusions formed due to erosion of plasmatron electrodes have been observed in the space between the particles. Surface of bilayer composite coatings has been processed by a compression plasma stream and due to nonsteady processes of melting and recrystallization high strength polycrystalline layer has been formed on their surface. In this context, those areas of the polycrystalline layer which had metal inclusions have appeared to be painted in various colors depending on chemical composition of the inclusions