ВЫБОР ОКСИДОВ ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

The paper analyzes selection of oxides and describes in details a majority of oxide systems which are applicable for stabilization of zirconium dioxide while obtaining thermal barrier coatings with maximum amount of tetragonal phase. Methodology of investigation is based on a review of analytical information on the current state of thermal barrier coatings on the basis of zirconium dioxide stabilized by oxides of rare-earth metals. The method used for application of  zirconium dioxide thermal barrier coatings is plasma spraying. Positive results have been also obtained while applying e-beam sputtering, ion-plasma deposition and magnetron sputtering. Nevertheless preferred plasma spraying application for thermal barrier coatings still continues due to its high productivity and versatility that permits to deposit metallic and ceramic materials of the ordered chemical and phase composition.Ytterbium and cerium oxides have been selected as oxides for stabilization of zirconium dioxide in order to obtain thermal barrier coatings. The paper also considers аn oxide system of zirconium dioxide: “hafnium oxide – yttrium oxide”, representing in itself the structure which is similar to zirconium dioxide.В статье проанализирован выбор оксидов и подробно описаны большинство оксидных систем, пригодных для стабилизации диоксида циркония при получении теплозащитных покрытий с максимальным количеством тетрагональной фазы. Методика исследования основана на проведении обзора аналитической информации по современному состоянию теплозащитных покрытий на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидами редкоземельных металлов. Основным методом, используемым для нанесения теплозащитных покрытий из диоксида циркония, является плазменное напыление. Положительные результаты получены также при электронно-лучевом и ионно-плазменном напылениях, магнетронном распылении. Тем не менее преимущественное распространение плазменного напыления теплозащитных покрытий сохраняется прежде всего вследствие его высокой производительности и универсальности, позволяющей наносить металлические и керамические материалы заданного химического и фазового состава.Отмечено, что качественные теплозащитные покрытия необходимо формировать из материалов с равномерным химическим  и  фазовым  составом  по  сечению  исходных  порошков,  максимальным  количеством  тетрагональной фазы и минимальным размером зерна фазовых включений, минимальным содержанием межкристаллитной влаги, со строго определенным размером и морфологией частиц исходного порошка. В качестве оксидов для стабилизации диоксида циркония при получении теплозащитных покрытий выбраны оксиды иттербия и церия, а также рассмотрена оксидная система диоксида циркония «оксид гафния – оксид иттрия», которая представляет собой структуру, похожую на диоксид циркония

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

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

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

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

КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ СИСТЕМЫ «ОКСИД ТИТАНА – ОКСИД АЛЮМИНИЯ – ТВЕРДАЯ СМАЗКА»

The paper presents an oxide ceramic material with addition of solid lubricant which has good technological characteristics and which is able to form high wear-resistant plasma coatings with low friction coefficient.Представлен  керамический материал на основе оксидной  керамики с добавлением твердой смазки, обладающий хорошими технологическими характеристиками и способный формировать плазменные покрытия с высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения

ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ С ПОВЫШЕННОЙ ТЕРМОСТОЙКОСТЬЮ

The paper presents optimization of  processes for obtaining maximum content of tetragonal phase in the initial material and thermal barrier coatings (TBC) based on zirconium dioxide and hafnium oxide.  Results of the investigations on phase composition of oxide HfO2 – ZrO2 – Y2O3  system have been given in the paper. The system represents  a microstructure which is similar to  zirconia dioxide and  transformed for its application at 1300 °C. The paper explains a mechanism of hafnium oxide influence on formation of the given microstructure. The research methodology has been based on complex metallography, X – ray diffraction and electron microscopic investigations of  structural elements of the composite plasma coating HfO2 – ZrO2 – Y2O system.In order to stabilize zirconium dioxide  dopant oxide should not only have an appropriate size of  metal ion, but also form a solid solution with the zirconia. This condition severely limits the number of possible stabilizers. In fact, such stabilization is possible only with the help of rare earth oxides (Y2O3, Yb2O3, CeO2, HfO2). Chemical purity of the applied materials plays a significant role for obtaining high-quality thermal barrier coatings. Hafnium oxide has been selected as powder for thermal barrier coatings instead of zirconium dioxide due to their similarities in structural modification, grating, chemical and physical properties and its high temperature structural transformations. It has been established that plasma thermal barrier HfO2 – ZrO2 – Y2O3 coatings consist of  one tetragonal phase. This phase is equivalent to a non-equilibrium tetragonal t' phase in the “zirconium dioxide stabilized with yttrium oxide” system. Affinity of  Hf+4 and Zr+4 cations leads to the formation of identical metastable phases during rapid quenching.В статье изложена оптимизация процессов получения максимального содержания тетрагональной фазы в исходном материале и в теплозащитных покрытиях на основе диоксида циркония и оксида гафния. Приведены результаты исследования фазового состава оксидной системы HfO2 – ZrO2 – Y2О3, которая представляет собой микроструктуру, похожую на диоксид циркония, трансформированную для использования при температуре 1300 °C, объяснен механизма влияния оксида гафния на формирование данной микроструктуры. Методика исследования основана на комплексных металлографических, рентгеноструктурных и электронно-микроскопических исследованиях структурных элементов композиционных плазменных покрытий системы HfO2 – ZrO2 – Y2О.Для стабилизации диоксида циркония легирующий оксид должен не только иметь соответствующий размер иона металла, но и образовывать твердый раствор с диоксидом циркония. Это условие резко ограничивает число возможных стабилизаторов. Фактически такая стабилизация возможна только оксидами редкоземельных металлов (Y2O3, Yb2O3, CeO2, HfO2). Важное значение для получения качественных теплозащитных покрытий имеет химическая чистота применяемых материалов. Оксид гафния был выбран для использования в качестве порошка для теплозащитных покрытий вместо диоксида циркония ввиду их сходства в структурной модификации, решетке, химических и физических свойствах и его повышенной температуры структурных преобразований. Установлено, что плазменные теплозащитные покрытия HfO2 – ZrO2 – Y2О3 состоят из одной тетрагональной фазы. Эта фаза эквивалентна неравновесной тетрагональной t'-фазе в системе «диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия». Сходство Hf+4 и Zr+4 катионов приводит к образованию одинаковых метастабильных фаз при быстрой закалке

КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПОРОШОК НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ, ЧАСТИЧНО СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ОКСИДОМ ЦЕРИЯ

The paper considers a technology for composite powder based on zirconium dioxide which is partially stabilized by cerium oxide. The powder makes it possible to spray thermal coatings with high thermal resistance.Рассмотрена технология получения композиционного порошка на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом церия, позволяющего напылять теплозащитные покрытия с повышенной термостойкостью

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