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

The paper considers the influence of the parameters of the plasma spraying process on the technological characteristics of multilayer coatings based on nickel-chromium, nickel-chromium-aluminum-yttrium materials, oxide ceramics,  intended for operation at high temperature and additional dynamic loads. The design of plasma coatings during their application (with subsequent high-energy processing) under such conditions requires a comprehensive solution – both the use  of high-quality powder ingredients and the optimization of technological parameters. The plasma process of applying powder materials has been improved to obtain the maximum values of their utilization factors. The technological characteristics that affect the properties of plasma coatings are optimized, namely: the flow rates of the plasma-forming and materials-transporting gases, the flow rate of  supplied powder materials, the current and voltage of the electric arc of the plasma torch, the distance from the plasma torch nozzle exit to the substrate. The paper presents the results of studies of the structure  of coatings, performed using scanning electron microscopy. Their analysis has made it possible to form general regularities obtained by the action of radiation of compression plasma flows on coatings formed by air plasma. The considered structures are created using the processes of melting, compaction and high-speed cooling of plasma coatings. The main optimization indicators are the maximum local compaction and spillage of the obtained compositions with the absence of defects and  destruction from the impact of compression plasma flows. The main effect during the action of radiation of a compression plasma flow on previously formed coatings is thermal. It contributes heating of the near-surface layer. When the coating  is exposed to radiation of compression plasma flows, a remelted layer of oxides with a thickness of about 12–15 µm is created, smoothing the relief of the formed surface and creating a network of cracks on the surface, diverging into the depth of the coating. The liquid-phase processes occurring in the molten phase of the near-surface layers after exposure to compression plasma radiation change the structure of the layers and contribute to the modification of their mechanical properties.  By smoothing the surface, increasing the density of the surface crystallized layer and  minimizing macro-defects – pores  or macrocracks – the mechanical characteristics of the coatings increase.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

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ

A technology for formation of thermal barrier coatings (TBC) based on zirconium dioxide has been developed in the paper. The paper investigates structures of phase composition and thermal stability of such developed coatings. Investigation results pertaining to formation of an oxide system ZrO2 – Y2O3, while using plasma spraying and subsequent high-energy processing, which allows to increase resistance of a thermal barrier coating to thermal cycling heat resistance of the coating at temperature of 1100 °C. This leads to longer protection of bottom layer against high-temperature exposure. The methodology is based on complex metallographic, X-ray diffraction and electron microscopy investigations of structural elements in composite plasma coatings of the ZrO2 – Y2O system. Resistance of plasma coatings (Мe – Cr – Al – Y/ZrO2 – Y2O3-type), used as TBC to protect gas turbine engine blades under conditions of frequent thermal cyclings is limited by cleavage of an outer ceramic layer. Structural and electron microprobe investigations have shown that as a result of thermal cycling an outer atmosphere due to porous structure of the ceramic coating layer, migrates to the surface of lower metal coating, causing its oxidation. As a result, the metal-ceramic Al2O3 layer is formed at a metal-ceramic interface and it changes a stress state of the coating that causes a reduction of protective properties. Thus, a high heat resistance of thermal barrier coatings depends on processes occurring at the interface between metal and ceramic coating layers. A laser impact on samples with TBC leads to changes in the structure of the oxide layer of ZrO2 – Y2O3. In this case its initial surface characterized by considerable relief is significantly flattened due to processing and the coating is fractured and it is separated in fragments. As the oxide coating has low thermal conductivity, and the time of laser exposure is about 10–3 sec, a heat flux does not have time to spread to a greater depth. As a result, the coating surface takes the form of solidified melt. The coating obtained from the powder of ZrO2 – 7 % Y2O3 in accordance with the developed technology can withstand heating – cooling cycles by 1.5-fold more than similar coatings being made previously. Thus the proposed method allows to increase the coating resistance to thermal cycling at temperatures of 1100 °C.Разработана технология формирования теплозащитных покрытий на основе диоксида циркония, исследованы структуры фазового состава и термостойкости таких покрытий. Приведены результаты исследования процесса формирования оксидной системы ZrO2 – Y2О3 методами плазменного напыления и последующей высокоэнергетической обработки, позволяющей повысить стойкость теплозащитного покрытия к термоциклированию при температуре 1100 °С. Это приводит к более длительной защите подложки от воздействий высоких температур. Методика основана на комплексных металлографических, рентгеноструктурных и электронно-микроскопических исследованиях структурных элементов композиционных плазменных покрытий системы ZrO2 – Y2О. Стойкость плазменных покрытий типа Me – Cr – Al – Y/ZrO2 – Y2O3, применяемых в качестве теплозащитных покрытий для защиты лопаток газотурбинных двигателей в условиях частых теплосмен, ограничивается скалыванием внешнего керамического слоя. Структурные и микрорентгеноспектральные исследования показали, что в результате термоциклирования внешняя атмосфера благодаря пористой структуре керамического слоя покрытия проникает к поверхности нижнего металлического покрытия, вызывая его окисление. В результате на границе металл – керамика формируется слой Al2O3, изменяющий напряженное состояние покрытия, что приводит к снижению защитных свойств. Таким образом, высокая термостойкость теплозащитных покрытий зависит от процессов, протекающих на границе между металлическим и керамическим слоями покрытия. Лазерное воздействие на образцы с теплозащитными покрытиями приводит к изменению структуры оксидного слоя ZrO2– Y2O3. При этом его исходная поверхность, характеризующаяся развитым рельефом, в результате обработки существенно выравнивается и покрытие растрескивается, разделяясь на фрагменты. Так как оксидное покрытие обладает низкой теплопроводностью, а время воздействия лазера порядка 10–3 с, тепловой поток не успевает распространиться на большую глубину. В результате поверхность покрытия приобретает вид застывшего расплава. Покрытие, полученное из порошка ZrO2 – 7 % Y2O3 по разработанной авторами технологии, выдерживает в 1,5 раза больше циклов нагрева – охлаждения, чем подобное покрытие, изготовленное ранее. Предло- женный способ позволяет повысить стойкости покрытия к термоциклированию при температуре 1100° С

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ КЕРАМИКИ С НЕРАВНОВЕСНОЙ СТРУКТУРОЙ

The paper presents investigations on studying the influence of plasma jet parameters (current, sputtering distance, consumption of nitrogen plasma forming gas), fractional composition of an initial powder on characteristics of plasma powder coatings from ceramics with a non-equilibrium structure. Optimization of APS parameters (plasma spraying in air) has been carried out for the following materials: NiAl, Al2O3–Cr2O–TiO2 – 15 % (CaF2–Ni) and FeCr30Mo3 – 12 % CaF2 – 50 % TiC. The optimization of sputtering parameters has been made on the basis of obtaining maximum coefficient of the material use. Structure of coatings, their chemical and phase compositions have a determining effect on physical and mechanical properties of the coatings, in particular, on porosity, adhesion strength and wear resistance. In its turn, a structure and a composition of the coating formed on the substrate depend on energy characteristics of the plasma sputtering process, an efficiency of heat exchange processes between dispersed and gas phases of high-temperature plasma jet, and also on a composition, a structure, and properties of the used materials. Thus, a stable distribution of a solid oxide phase has been observed in the volumes of sputtered materials and there are no surface zones with a deficiency of such inclusions that positively affects operability of the investigated wear-resistant coatings. While carrying out plasma deposition of Al2O3–Cr2O–TiO2 – 15 % (CaF2-Ni) powders, a coating with a higher micro-hardness has been formed in comparison with Al2O3–Cr2O–TiO2 – 15 % (MoS2–Ni) powders that is due to a decrease in porosity and an increase in uniformity of coatings. Graininess of the coatings exerts a significant influence on density of coatings, nature of phase distribution and strength characteristics (wear resistance and adhesion strength).В статье представлены исследования влияния параметров плазменной струи (ток, дистанция напыления, расход плазмообразующего газа азота), фракционного состава исходного порошка на характеристики плазменных порошковых покрытий из керамики с неравновесной структурой. Проведена оптимизация параметров APS (плазменное напыление на воздухе) процесса для материалов NiAl, Al2O3–Cr2O–TiO2 – 15 % (CaF2–Ni) и FeCr30Mo3 – 12 % CaF2 – 50 % TiC. Оптимизация параметров напыления проводилась на основании получения максимального коэффициента использования материала. Структура покрытий, их химический и фазовый составы оказывают определяющее влияние на физико-механические свойства покрытий, в частности на пористость, прочность сцепления и износостойкость. Формируемые на подложке в процессе напыления структура и состав покрытия зависят от энергетических характеристик процесса плазменного напыления, эффективности теплообменных процессов между дисперсной и газовой фазами высокотемпературной плазменной струи, а также от состава, структуры и свойств применяемых материалов. Таким образом, наблюдается стабильное распределение твердой оксидной фазы в объемах напыленных материалов и отсутствуют поверхностные зоны с дефицитом подобных включений, что положительно влияет на работоспособность исследуемых износостойких покрытий. При плазменном напылении порошков Al2O3–Cr2O–TiO2 – 15 % (CaF2–Ni) формируется покрытие с более высокой микротвердостью, по сравнению с порошками Al2O3–Cr2O–TiO2 – 15 % (MoS2–Ni), что обусловлено снижением пористости и повышением однородности покрытий. На плотность покрытий, характер распределения фаз, а также на прочностные характеристики (износостойкость и прочность сцепления) большое влияние оказывает зернистость покрытий

Оптимизация процесса нанесения покрытий из порошков металлокерамики методом плазменного напыления на воздухе

The paper presents studies on the optimization of the process of applying coatings from cermet powders with different solid phase contents by plasma spraying in air to restore and harden parts of machines and mechanisms operating under adverse conditions. Such conditions are usually created in heavily loaded tribojoints when the mechanisms operate at a low speed of relative movement of surfaces during friction. At the same time, the destruction of the working surfaces is mainly due to the process of microcontact setting and subsequent detachment of the formed particles at their contact points. The application of special protective coatings with the required properties is possible with the manufacture of high-quality starting powder materials and optimization of the technology for their application. Such powders and powder compositions can be obtained by the method of agglomeration of a fine powder mixture with its subsequent high-temperature sintering. To identify the hardening mechanism of composite coatings made of cermet by gas-thermal spraying, important stages are the optimization of the deposition process parameters and the study of the properties of plasma coatings obtained in this case. When optimizing the technological parameters of plasma spraying of coatings, the utilization rate of the sprayed powder material has been taken into account as the main indicator of the process efficiency, the structure of the obtained layers, and the morphology of individual particles deposited on the polished surface. The paper provides data on the structural elements of sprayed materials for wear-resistant coatings obtained by plasma spraying at optimal conditions. Taking into account the processes that occur during the wear of tribological conjugations, the data indicate the existing prerequisites for the wear resistance of the studied composite coatings made of metal ceramics. Special wear-resistant coatings made of materials with a soft matrix hardened by solid inclusions Al2O3–TiO2–Ni–Cr–Al–Y are widely used in various industries. Based on the detailed analysis of the features of cermet plasma coatings, it can be stated that such powder compositions (complex oxides-metal component) are often used as wear-resistant plasma coatings. The research results can be taken into account in cases of application of wear-resistant plasma coatings made of metal-ceramics and compositions based on them, containing solid phases in the form of oxides, as well as the manufacture of a whole range of parts operating under conditions of intense wear.Произведена оптимизация процесса нанесения покрытий из порошков металлокерамики с различным содержанием твердой фазы методом плазменного напыления на воздухе для восстановления и упрочнения деталей машин и механизмов, работающих в неблагоприятных условиях. Такие условия обычно создаются в тяжело нагруженных трибосопряжениях во время работы механизмов с небольшой скоростью относительного перемещения поверхностей при трении. Эксплуатируемые рабочие поверхности разрушаются в основном из-за микроконтактного схватывания и последующего отрыва сформированных частиц в точках их контакта. Нанесение специальных защитных покрытий с требуемыми свойствами возможно при изготовлении качественных исходных порошковых материалов и оптимизации технологии их нанесения. Получить такие порошки и порошковые композиции можно методом агломерирования мелкодисперсной порошковой шихты с ее последующим высокотемпературным спеканием. Для выявления механизма упрочнения сформированных газотермическим напылением композиционных покрытий из металлокерамики важные этапы – это оптимизация параметров процесса напыления и изучение свойств получаемых плазменных покрытий. При оптимизации технологических параметров плазменного напыления покрытий учитывали коэффициент использования порошкового материала как основного показателя эффективности процесса, структуру полученных слоев, морфологию отдельных нанесенных на полированную поверхность частиц. В статье приведены данные об элементах структуры напыленных материалов для износостойких покрытий, полученных плазменным напылением на оптимальных режимах. С учетом процессов, происходящих при изнашивании трибосопряжений, эти данные свидетельствуют об имеющихся предпосылках износостойкости исследуемых композиционных покрытий из металлокерамики. Специальные износостойкие покрытия из материалов с мягкой матрицей, упрочненных твердыми включениями Al2O3–TiO2–Ni–Cr–Al–Y, находят широкое применение в различных отраслях промышленности. На основе подробного анализа особенностей металлокерамических плазменных покрытий можно констатировать, что такие порошковые композиции (комплексные оксиды – металлическая составляющая) часто используются в качестве износостойких плазменных покрытий. Результаты исследований могут быть учтены в случаях нанесения износостойких плазменных покрытий из металлокерамики и композиций на их базе, содержащих твердые фазы в виде оксидов, а также изготовления целого спектра деталей, работающих в условиях интенсивного износа

Плазмотрон для нанесения покрытий

The paper analyzes reasons for application of plasma torches of special design for deposition of heat-resistant layers of thermal barrier coatings that contribute to minimum oxygen content in the zone of spraying. It contains detailed description of design for a plasma torch with a nozzle that allows better protection of a plasma stream against atmospheric exposure.Heated inert gas (Ar) is fed inside the nozzle along its walls through holes in its end part. Air around a plasma jet is displaced, additional compression of the plasma occurs and due to this oxygen content is decreased in a coating and efficiency of material deposition is increased. An additional use of a tungsten insert in an electronic node makes it possible to create a pair of tungsten – tungsten in an electrode assembly and the life of the electrode assembly will be increased due to high erosion resistance, electrical conductivity, thermal conductivity and sufficient strength in 2–2.5 times while increasing spray performance through toughening regimes. The paper presents testing results of the developed plasma torch and its prototype for duration of continuous operation and intensity at 500 A current, 70 V voltage, nitrogen flow rate of 45 l/min (standard mode for deposition of oxide ceramics). Coatings from nickel–chromium–aluminum–yttrium powder have been obtained while using plasma torches with the same parameters of deposition and a comparative analysis of the technological properties have been made in the paper. The developed plasma torch has more qualitative characteristics of subsurface plasma coatings: increase in adhesive strength – by 1.4 times, material utilization ratio – by 1.3 times, micro-hardness – by 1.3 times, porosity decrease – by 2.3 times.В статье проанализированы причины применения для напыления жаростойких подслоев теплозащитных покрытий специальных конструкций плазмотронов, способствующих минимальному содержанию кислорода в зоне напыления. Подробно описана разработанная авторами конструкция плазмотрона с насадкой, позволяющая улучшить защиту плазменного потока от воздействия атмосферы. Внутрь насадки вдоль ее стенок через систему отверстий в концевой части насадки подается нагретый инертный газ (Аr). Воздух вокруг плазменной струи вытесняется, происходит дополнительное сжатие плазмы, в результате чего в покрытии уменьшается содержание кислорода и повышается эффективность осаждения материала. Дополнительное применение вольфрамовой вставки в электронном узле позволит создать пару вольфрам – вольфрам в электродном узле, что за счет высокой эрозионной стойкости, электропроводимости, теплопроводности и достаточной прочности увеличит ресурс электродного узла в 2–2,5 раза при повышении производительности напыления из-за ужесточения режимов. Приведены результаты испытаний разработанного плазмотрона и аналога на длительность непрерывной работы и интенсивность при токе 500 А, напряжении 70 В, расходе азота 45 л/мин (стандартный режим напыления оксидной керамики). На плазмотронах при одинаковых параметрах напыления получены покрытия из порошка никель–хром–алюминий–иттрий и проведен сравнительный анализ технологических свойств. Разработанный плазмотрон имеет более качественные характеристики плазменных подслойных покрытий: увеличение прочности сцепления – в 1,4 раза, коэффициента использования материала – в 1,3 раза, микротвердости – в 1,3 раза, уменьшение пористости – в 2,3 раза

ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ

A composite ceramic material has been developed for thermal spraying that permits to increase wear resistance due to introduction of high-chromium steel and molybdenum in its structure, to obtain optimum porosity in the starting charge material while synthesizing  FeCrMo – MoS2/CaF2/С – TiC compositions,  to improve technological parameters of powders and thereby increase coefficient of powder usage in spraying, to reduce cost of wear-resistant coating technology. The paper presents characteristics and parameters of the developed material and coating which is based on it. Methodology is based on  complex metallographical, X-ray diffraction and electron microscopy investigations of structural elements of composite plasma coatings. Main components of composite particles are solid solutions based on iron, titanium carbides, solid lubricant inclusions in the form of molybdenum disulfide, calcium fluoride, carbon. Presence of such powder particles predetermines obtaining wear-resistant coatings which are rather efficient in case of molecular and mechanical and abrasive wear-out under disadvantageous friction conditions (boundary lubrication or absence of lubrication material, elevated temperature actions).  The contemplated powders are characterized by complex geometric shape and developed surface relief of particles. There has been observed a stable distribution of hard carbide phase in volumes of deposited materials and absence of superficial zone with deficit of TiC inclusions that positively influence on working capacity of the investigated wear-resistant coatings. Plasma coatings which have been deposited with the help of  FeCrMo – MoS2 – TiC powders in accordance with the technology developed by authors have better wear resistance in case of dry friction in a steel 45 (coating wear-out is less by 1.2-fold; scoring load is higher by 1.2-fold) than a coating which has been obtained with the help of Ni80Cr20 – 12 % MoS2 – 50 % TiC powder. In such a case coating adhesive strength is increased by 1.23-fold and and powder cost lower is decreased by 1.5-fold. Thus plasma wear-resistant coatings  obtained while using FeCrMo – MoS2/CaF2/carbon – TiC composite powders are considered as prospective for restoration and hardening of steel parts which are operating under disadvantageous friction conditions.Разработан композиционный керамический материал для газотермического напыления, позволяющий повысить износостойкость покрытия за счет введения в состав высокохромистой стали и молибдена, получить оптимальную пористость в исходной шихте при синтезе композиций FeCrMo – MoS2/CaF2/С – TiC, улучшить технологические параметры порошков и тем самым повысить коэффициент использования порошка при напылении, удешевить технологию нанесения износостойких покрытий. Приведены характеристики и параметры разработанного материала и покрытия на его основе. Методика основана на комплексных металлографических, рентгеноструктурных и электронно-микроскопических исследованиях структурных элементов композиционных плазменных покрытий. Главными составляющими композиционных частиц являются твердые растворы на основе железа, карбиды титана, включения твердой смазки в виде дисульфида молибдена, фтористого кальция, углерода. Наличие таких частиц порошков создает предпосылки получения из них износостойких покрытий, которые эффективны при молекулярно-механическом и абразивном изнашивании в неблагоприятных условиях трения (граничная смазка или отсутствие смазочного материала, повышенные температурные воздействия). Рассматриваемые порошки характеризуются сложной геометрической формой и развитым поверхностным рельефом частиц. Наблюдается стабильное распределение твердой карбидной фазы в объемах напыленных материалов и отсутствуют поверхностные зоны с дефицитом включений TiC, что положительно влияет на работоспособность исследуемых износостойких покрытий. Плазменные покрытия, напыленные из порошков FeCrMo – MoS2 – TiC по технологии, разработанной авторами, имеют лучшую износостойкость при сухом трении по Ст45 (износ покрытия меньше в 1,2 раза, нагрузка задира больше в 1,2 раза), чем покрытие, полученное из порошка Ni80Cr20 – 12 % MoS2 – 50 % TiC. При этом прочность сцепления покрытий возрастает в 1,23 раза, а стоимость порошка уменьшается в 1,5 раза. Таким образом, плазменные износостойкие покрытия из композиционных порошков FeCrMo – MoS2/CaF2/углерод – TiC перспективны для восстановления и упрочнения стальных деталей, эксплуатирующихся при неблагоприятных условиях трения

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

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.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

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

The paper deals with the studies of plasma coatings formed under optimal technological conditions from Al2O3–TiO2–NiCrAlYТа powder compositions. They have an acceptable density and have a number of surface defects acceptable for operation – pores and cracks. Large-dimensional ceramic Al2O3–TiO2 particles are embedded in the NiCrAlYТа matrix during the formation of the coating. This structure is associated with the mobility of the molten liquid-phase components of NiCrAlYТа, which tend to fill gaps and cracks that occur during plasma spraying of metal oxide coating and contribute to an increase in the density of coatings. In the process of high-temperature deposition, the oxide component melts into an organic whole with a metal one in the area of the interface, the elements diffuse and penetrate each other, so the interface is not clearly defined, there are no obvious boundaries between layered structures. These structures, along with chemical and mechanical bonds, also contain metallurgical bonds. With the optimal spraying parameters we have established, a microheterogeneous structure is observed in the coating system with the content of elements that ensure its wear resistance (orthorhombic phase of titanium oxide, Cr1.12Ni2.88, a-Al2O3, γ-Al2O3). Spreading of molten powder particles on the substrate occurs with minimal spattering and losses upon impact on the substrate. The main crystalline phases in the system of the formed coating include Cr1.12Ni2.88, γ-Al2O3, anatase (TiO2) in addition to rutile, and a-Al2O3. In the analysis, diffraction peaks in rutile are detected in the ranges 2θ = 32° and 2θ = 70°, while the content increases after the sputtering process, which confirms the transition from the anatase phase to the rutile phase at high temperature. Based on the results of quantitative analysis, the content in coating of a-Al2O3 and rutile TiO2 is approximately 30.4 % and 32.2 %, respectively, being the main phase structures of the coatings. Studies have been carried out on the influence of distances of the plasma spraying process on the performance characteristics of wear-resistant plasma coatings – adhesion strength, hardness and porosity.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, Cr1,12Ni2,88, 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 Cr1,12Ni2,88, 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

Формирование покрытий из самофлюсующегося порошка на основе сталей аустенитного класса с добавлением млидена

The paper presents a study of the effect of adding Mo and MoS2 on the microstructure and properties of a powder coating based on austenitic steels. The coatings have been studied using X-ray diffraction (XRD), optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), a Vickers hardness tester, and abrasion wear resistance has been determined by the Pin on disk method. The results show that a coating that does not contain Mo and MoS2 consists of the phases g(Fe), M7(C, B)3 and (Fe, Cr)2B. The addition of Mo and MoS2 leads to the formation of phases M23(C, B)6, Mo2(B, C) and Fe3Mo3(C, B), where M = Fe, Cr, Mo. The main goal of these studies was to study characteristics of Mo and MoS2 distribution and the effect of their addition on the microstructure, hardness, and abrasion wear resistance of an alloy coating based on austenitic steels. Composite materials based on austenitic steels obtained by diffusion alloying (Aus0Mo), which has a nearly spherical shape with a diameter of 50–100 μm, have been used for deposition. 3–7 wt. % of Mo powder and 1.0–1.5 wt. % of MoS2 powder with a diameter  less than 50 μm have been added in the powder of the composite material based on austenitic steels (Aus3Mo, Aus5Mo, Aus7Mo). Surfacing methods, including gas arc welding with a tungsten electrode, arc welding in shielding gas, plasma surfacing (PTA) and laser surfacing are widely used in industry to increase wear resistance of surfaces. The most important differences between these methods are deposition rate, applicability of materials, substrate dilution, microstructure and hardness stability after exposure to high temperatures, as well as manufacturing cost. Among the methods described above, plasma spraying followed by fusion is a good alternative to other surfacing processes. The coating should not be overheated until it is completely  melted, since in this case the primary crystals of chromium carbides and borides pass into a liquid solution and upon subsequent crystallization, form a coarser structure, worsening the quality of the coating. This is precisely what does not occur during plasma spraying followed by reflow; in addition, the method is cheap, coatings are of high quality, competitive wear resistance and high stability of properties at high temperature.Определено влияние добавления Мо и МоS2 на микроструктуру и свойства покрытия из порошков на базе аустенитных сталей. Покрытия исследовали с помощью рентгеновской дифракции (XRD), оптической микроскопии, сканирующей электронной микроскопии (SEM) с использованием твердомера по Виккерсу. Абразивную износостойкость определяли по методике Pin on disk. Результаты показывают, что покрытие, не содержащее Mo и МоS2, состоит из фаз g(Fe), M7(C, B)3 и (Fe, Cr)2B. Добавление Mo и МоS2 приводит к образованию фаз M23(C, B)6, Mo2(B, C) и Fe3Mo3(C, B), где M = Fe, Cr, Mo. Цель исследований заключалась в изучении характеристик распределения Мо и МоS2 и влияния их добавления на микроструктуру, твердость, абразивную износостойкость покрытия из сплава на основе аустенитных сталей. Для напыления использовали композиционные материалы на основе аустенитных сталей, полученных методом диффузионного легирования (Aus0Mo), которые имеют близкую к сферической форму частиц диаметром 50–100 мкм. В порошок композиционного материала на основе аустенитных сталей (Aus3Mo, Aus5Mo и Aus7Mo) добавляли 3–7 мас. % порошка Мо и 1,0–1,5 мас. % порошка МоS2 с частицами диаметром менее 50 мкм. Методы наплавки, включая газовую дуговую сварку вольфрамовым электродом, дуговую сварку в защитном газе, плазменную наплавку (РТА) и лазерную наплавку, широко применяются в промышленности для повышения износостойкости поверхностей. Наиболее важные различия между этими методами заключаются в скорости осаждения, применимости материалов, разбавлении субстрата, микроструктуре и стабильности твердости после воздействия высоких температур, а также в стоимости изготовления. Среди методов, описанных выше, плазменное напыление с последующим оплавлением представляет собой хорошую альтернативу другим процессам наплавки поверхности. Перегревать покрытие до полного расплавления не следует, поскольку в этом случае первичные кристаллы карбидов и боридов хрома переходят в жидкий раствор и при последующей кристаллизации образуют более грубую структуру, ухудшая качество покрытия. Именно это не происходит при плазменном напылении с последующим оплавлением. Кроме того, способ дешев, покрытия обладают достойным качеством, конкурентоспособной износостойкостью и стабильностью свойств при высокой температуре

Формирование и исследование плазменных порошковых покрытий из оксидной керамики, модифицированной высокоэнергетическими воздействиями

The paper presents results of studying structure and properties of multilayer composite coatings optimized for their composition based on zirconium dioxide materials used for deposition of plasma coatings on the models of elements for anti-meteor shielding screens. The influence of plasma jet parameters (current, distance of sputtering, consumption of plasma-forming nitrogen gas) and fractional composition of an initial powder on characteristics of two-layer composite coatings based on nickel-chromium-aluminum-yttrium and zirconium dioxide on the elements of protective screens has been analyzed in the paper. Optimization has been carried out on the basis of obtaining maximum coefficient of powder utilization. The investigations have made it possible to ascertain specific features of elemental and phase composition, surface morphology, microstructure multilayer composite coatings on the basis of a solid layer of metal oxides and a viscous transition sub-layer subjected to compression plasma flows. The investigations have been executed with the help of scanning electron microscopy, energy dispersive x-ray spectral microanalysis, and x-ray diffraction analysis. It has been shown on the basis of the obtained results that the effect of compression plasma flows on multilayer composite coatings leads to a modification of a near-surface layer with a thickness up to 15 μm that presupposes its melting and subsequent high-speed crystallization which together provide an increase in its density, decrease in porosity while maintaining the initial phase state. Liquid-phase processes in the molten phase of the near-surface layer permit to modify morphological properties of the surface which are associated with its smoothing and lowering of roughness.В статье приведены результаты исследования структуры и свойств оптимизированных по составу многослойных композиционных покрытий из материалов на основе диоксида циркония, используемого для напыления плазменных покрытий на модели элементов экранов противометеорной защиты. Рассмотрено влияние параметров плазменной струи (тока, дистанции напыления, расхода плазмообразующего газа азота) и фракционного состава исходного порошка на характеристики двухслойных композиционных покрытий на основе никель-хрома-алюминия-иттрия и диоксида циркония на элементах защитных экранов. Проведена оптимизация на основании получения максимального коэффициента использования порошка. В результате исследований установлены особенности элементного и фазового составов, морфологии поверхности, микроструктуры многослойных композиционных покрытий на основе твердого слоя оксидов металлов и вязкого переходного подслоя, подвергнутых воздействию компрессионных плазменных потоков. Исследования проводились с помощью растровой электронной микроскопии, энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа, рентгеноструктурного анализа. На основании полученных результатов показано, что воздействие компрессионных плазменных потоков на многослойные композиционные покрытия приводит к модифицированию приповерхностного слоя толщиной до 15 мкм, заключающемуся в его плавлении и последующей скоростной кристаллизации, которые в совокупности обеспечивают повышение его плотности, снижение пористости при сохранении исходного фазового состояния. Жидкофазные процессы в расплавленной фазе приповерхностного слоя позволяют модифицировать морфологические свойства поверхности, связанные с ее сглаживанием и снижением шероховатости