EA032010B1 - Process for producing a high-density ceramic coating - Google Patents

Process for producing a high-density ceramic coating Download PDF

Info

Publication number
EA032010B1
EA032010B1 EA201650020A EA201650020A EA032010B1 EA 032010 B1 EA032010 B1 EA 032010B1 EA 201650020 A EA201650020 A EA 201650020A EA 201650020 A EA201650020 A EA 201650020A EA 032010 B1 EA032010 B1 EA 032010B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
coating
sio
shell
plasma
phases
Prior art date
Application number
EA201650020A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA201650020A1 (en
Inventor
Наталия Александровна Руденская
Мария Владимировна Руденская
Геннадий Петрович Швейкин
Original Assignee
Белорусский Национальный Технический Университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Белорусский Национальный Технический Университет filed Critical Белорусский Национальный Технический Университет
Priority to EA201650020A priority Critical patent/EA032010B1/en
Publication of EA201650020A1 publication Critical patent/EA201650020A1/en
Publication of EA032010B1 publication Critical patent/EA032010B1/en

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области нанесения газотермических покрытий, более конкретно - к способам нанесения плазменных покрытий на детали, эксплуатируемые в условиях износа, высоких температур, коррозионных сред и ударных нагрузок. Задача предлагаемого технического решения состоит в создании покрытия, упрочненного высокобарными фазами стишовита и характеризующегося высокой плотностью в сочетании с высокой микротвердостью составляющих покрытие фаз. Поставленная задача достигается тем, что процесс ведут с использованием как дозвукового, так и сверхзвукового плазменного потоков и керамических микрокомпозитов с оболочкой из SiOпри соотношении компонентов оболочки и ядра 30-50 и 50-70 соответственно, при этом дисперсность частиц SiOсоставляет менее 20 мкм.The invention relates to the field of applying thermal coatings, and more specifically to methods of applying plasma coatings on parts used in conditions of wear, high temperatures, corrosive environments and shock loads. The objective of the proposed technical solution is to create a coating strengthened by high-pressure stishovite phases and characterized by high density combined with high microhardness of the phases making up the coating. The task is achieved by the fact that the process is carried out using both subsonic and supersonic plasma flows and ceramic microcomposites with a SiO shell at a ratio of the components of the shell and the core 30-50 and 50-70, respectively, while the dispersion of SiO particles is less than 20 microns.

Description

Изобретение относится к области нанесения газотермических покрытий, более конкретно - к способам нанесения плазменных покрытий на детали, эксплуатируемые в условиях износа, высоких температур, коррозионных сред и ударных нагрузок.The invention relates to the field of applying thermal coatings, and more specifically to methods for applying plasma coatings to parts operated under conditions of wear, high temperatures, corrosive environments and shock loads.

Известен способ (аналог) получения износостойкого керамического покрытия с пористостью 1,2% [1]. В качестве материала основы используют керамику, плазмообразующим газом является азот и поддерживают ток дуги плазмотрона 450-550 А.A known method (analog) of obtaining a wear-resistant ceramic coating with a porosity of 1.2% [1]. Ceramics are used as the base material, the plasma-forming gas is nitrogen and the arc current of the plasma torch is maintained at 450-550 A.

Недостатками известного способа являются недостаточно высокая микротвердость составляющих покрытие фаз в сочетании с недостаточно низкой пористостью напыленного слоя.The disadvantages of this method are not sufficiently high microhardness constituting the coating phases in combination with insufficiently low porosity of the sprayed layer.

Задача предлагаемого технического решения состоит в создании покрытия, упрочненного высокобарными фазами стишовига и характеризующегося высокой плотностью в сочетании с высокой микротвердостью составляющих покрытие фаз.The objective of the proposed technical solution is to create a coating hardened by high-pressure phases of stishovig and characterized by high density in combination with high microhardness of the phases constituting the coating.

Поставленная задача достигается тем, что процесс ведут с использованием как дозвукового, так и сверхзвукового плазменного потоков и керамических микрокомпозитов с оболочкой из SiO2 при соотношении компонентов оболочки и ядра 30-50 и 50-70 соответственно, при этом дисперсность частиц SiO2 составляет менее 20 мкм.The problem is achieved in that the process is carried out using both subsonic and supersonic plasma flows and ceramic microcomposites with a shell of SiO 2 with a ratio of shell and core components of 30-50 and 50-70, respectively, while the dispersion of SiO 2 particles is less than 20 microns.

Таким образом, отличительными признаками заявляемого способа являются следующие: использование плазменных потоков дозвукового и сверхзвукового плазмотронов, состав и вид исходных микрокомпозитов, дисперсность материала оболочки микрокомпозитов.Thus, the distinguishing features of the proposed method are the following: the use of plasma flows of subsonic and supersonic plasmatrons, the composition and type of the original microcomposite, the dispersion of the shell material of the microcomposites.

Авторами предлагаемого технического решения обнаружен неизвестный ранее эффект упрочнения плазменных покрытий, сущность которого заключается в значительном повышении плотности материала покрытия и одновременно микротвердости составляющих покрытие фаз. Плазменные керамические покрытия, характеризующиеся пористостью 0,46-0,87% получены впервые.The authors of the proposed technical solution discovered a previously unknown effect of hardening of plasma coatings, the essence of which is to significantly increase the density of the coating material and simultaneously the microhardness of the phases constituting the coating. Plasma ceramic coatings characterized by a porosity of 0.46-0.87% were obtained for the first time.

Реализация предлагаемого процесса возможна при сочетании следующих условий. Использование плазменного потока для нагрева частиц и обеспечения высокой скорости их движения. Использование сверхзвукового плазмотрона позволяет увеличить количество стишовита до 8,3-12,6%, то есть в 1,2-5,7 раза. При этом пористость покрытий уменьшается в 1,26-2,17 раза с одновременным повышением микротвердости составляющих покрытие фаз в 1,12-1,48 раза.Implementation of the proposed process is possible under a combination of the following conditions. Using a plasma stream to heat particles and ensure their high speed. The use of a supersonic plasmatron allows to increase the amount of stishovitis up to 8.3-12.6%, that is, 1.2-5.7 times. In this case, the porosity of the coatings decreases by 1.26–2.17 times with a simultaneous increase in the microhardness of the phases constituting the coating by 1.12–1.48 times.

Другим условием осуществления способа является вид и состав используемых для напыления микрокомпозитов. Это частицы сложного состава: с ядром из TiO2 и Al2O3 и оболочкой из SiO2, при соотношении компонентов 30-50 и 50-70 соответственно. Это оптимальное соотношение, установленное экспериментально (см. табл.).Another condition for the implementation of the method is the type and composition of the microcomposites used for spraying. These are particles of complex composition: with a core of TiO 2 and Al 2 O 3 and a shell of SiO 2 , with a ratio of components of 30-50 and 50-70, respectively. This is the optimal ratio established experimentally (see table.).

Еще одним условием осуществления способа является дисперсность частиц SiO2, используемых для изготовления микрокомпозитов, менее 20 мкм. Поскольку стишовит формируется из фазы SiO2, то именно частицы SiO2 нужно интенсивно нагреть, а микрокомпозитам средней дисперсности придать высокую скорость движения. Интенсивный нагрев осуществляется в наружных объемах частиц. Именно при таких условиях и формируются высокобарные фазы в виде стишовита.Another condition for the implementation of the method is the dispersion of particles of SiO 2 used for the manufacture of microcomposites, less than 20 microns. Since stishovite is formed from the SiO 2 phase, it is precisely the SiO 2 particles that need to be heated intensively, and microcomposites of medium dispersion should be given a high speed of motion. Intensive heating is carried out in the external volumes of particles. It is under such conditions that high-pressure phases are formed in the form of stishovitis.

Оптимальным является использование сверхзвукового плазмотрона и микрокомпозитов, содержащих 50% SiO2 в оболочке, при этом формируется слой, содержащий 12,6% стишовита, а пористость покрытия составляет 0,46-0,69% с микротвердостью составляющих покрытие фаз до 4700 кг/мм2 при нагрузке 100 г.It is optimal to use a supersonic plasmatron and microcomposites containing 50% SiO 2 in the shell, while a layer containing 12.6% stishovite is formed, and the coating porosity is 0.46-0.69% with a microhardness of the phases constituting the coating up to 4700 kg / mm 2 at a load of 100 g.

Причину полученного результата можно объяснить следующим образом: в процессе напыления микрокомпозитов формируются высокобарные фазы стишовита, которыми упрочняется покрытие. Поскольку стишовит характеризуется высокой плотностью (на 60% плотнее кварца) и высокой твердостью, то и напыленные слои отличаются необычными свойствами.The reason for the result can be explained as follows: during the deposition of microcomposites, high-pressure stishovite phases are formed, which hardens the coating. Since stishovite is characterized by high density (60% denser than quartz) and high hardness, sprayed layers also have unusual properties.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом.The proposed method can be implemented as follows.

Композиционный порошок готовят как микрокомпозиты в виде ядер, содержащих TiO2 и Al2O3, и оболочек из SiO2, причем оболочки формируются из частиц дисперсностью менее 20 мкм. Для напыления порошок подают в пдазменный поток, сформированный дозвуковым или сверхзвуковым плазмотроном, при мощности 47-52 КВА, плазмообразующий газ: смесь воздуха с природным газом в соотношении 4:1.The composite powder is prepared as microcomposites in the form of nuclei containing TiO 2 and Al 2 O 3 and shells of SiO 2 , and shells are formed from particles with a particle size of less than 20 microns. For spraying, the powder is fed into a pdzamenny stream formed by a subsonic or supersonic plasmatron, with a power of 47-52 KVA, a plasma-forming gas: a mixture of air with natural gas in a ratio of 4: 1.

Пористость покрытий измеряют с помощью оптического микроскопа методом секущей и на электронном микроскопе.The porosity of the coatings is measured using an optical microscope by the secant method and an electron microscope.

Рентгенофазовые исследования покрытий проводят на трансмиссионном дифрактометре Stadi Р и на приборе Bruker.X-ray phase studies of coatings are carried out on a Stadi P transmission diffractometer and on a Bruker instrument.

Пример 1. Для получения покрытия берут оксидный порошок дисперсностью 40-71 мкм, содержащий в оболочке 50 мас.% SiO2 дисперсностью менее 20 мкм. Этот порошок подают по срез сопла дозвукового плазмотрона с целью напыления его на стальные образцы (Ст.3). В качестве плазмообразующего газа используют смесь воздуха и природного газа в соотношении 4:1, при мощности плазмотрона 47 КВА. Получают покрытие, содержащее 6,5 мас.% стишовита.Example 1. To obtain a coating, an oxide powder with a dispersion of 40-71 μm containing 50 wt% SiO 2 in a shell with a dispersion of less than 20 μm is taken. This powder is fed through a nozzle section of a subsonic plasmatron in order to spray it onto steel samples (Art. 3). As a plasma-forming gas, a mixture of air and natural gas is used in a ratio of 4: 1, with a plasma torch power of 47 KVA. Get a coating containing 6.5 wt.% Stishovite.

Пример 2. Для получения покрытия берут оксидный порошок дисперсностью 40-71 мкм, содержащий в оболочке 50 мас.% SiO2 дисперсностью менее 20 мкм. Этот порошок подают по срез сопла сверхзвукового плазмотрона с целью напыления его на стальные образцы (Ст.3). В качестве плазмообразую- 1 032010 щего газа используют смесь воздуха и природного газа в соотношении 4:1, при мощности плазмотрона 52 КВА. Получают покрытие, содержащее 12,6 мас.% стишовита.Example 2. To obtain a coating take an oxide powder with a dispersion of 40-71 μm, containing 50 wt% SiO 2 in the shell with a dispersion of less than 20 μm. This powder is fed through a nozzle exit of a supersonic plasmatron in order to spray it onto steel samples (Art. 3). A mixture of air and natural gas in a ratio of 4: 1 is used as a plasma-forming 1032010 gas, with a plasma torch power of 52 KVA. Get a coating containing 12.6 wt.% Stishovitis.

Остальные примеры осуществления способа приведены в таблице.Other examples of the method are shown in the table.

Состав оболочки исходного порошка The composition of the shell of the original powder Вид плазменного генератора Type of plasma generator Количество высокобарной фазы - стишовита, % Amount of high bar phase - stishovita,% Микротвердость, Нюо, кг/мм2 Microhardness, nuo, kg / mm 2 Пористость, % Porosity, % 20 % SiO2 20% SiO2 дозвуковой subsonic 1,6 1,6 30 % SiO2 30% SiO2 дозвуковой subsonic 2,2 2.2 3179 3179 )0,87-1 ) 0.87-1 50 % SiO2 50% SiO2 дозвуковой subsonic 6,5 6.5 3565 3565 65 % SiO2 65% SiO2 дозвуковой subsonic 6,7 6.7 4023 4023 }0, 46-0,69 } 0, 46-0.69 30 % SiO2 30% SiO2 сверхзвуковой supersonic 8,3 8.3 4578 4578 50 % SiO2 50% SiO2 сверхзвуковой supersonic 12,6 12.6 4700 4700

Таким образом, впервые получены высокоплотные плазменные покрытия, упрочненные высокобарными фазами в виде стишовита.Thus, high-density plasma coatings hardened by high-pressure phases in the form of stishovite were first obtained.

Источники информации:Sources of information:

1. Патент РБ № 17995. Способ получения износостойкого покрытия. Руденская Н.А., Соболев С.А., Соколова Н.В., Руденская М.В., Кравченко Н.Л. Опубл. 28.02.2014.1. Patent RB No. 17995. A method of obtaining a wear-resistant coating. Rudenskaya N.A., Sobolev S.A., Sokolova N.V., Rudenskaya M.V., Kravchenko N.L. Publ. 02/28/2014.

Claims (1)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM Способ получения высокоплотного керамического покрытия, заключающийся в том, что процесс ведут с использованием как дозвукового, так и сверхзвукового плазменного потоков и керамических микрокомпозитов с оболочкой из частиц SiO2 при соотношении компонентов оболочки и ядра, в мас.%, 30-50 и 50-70 соответственно, при этом дисперсность частиц SiO2 составляет менее 20 мкм.A method of obtaining a high-density ceramic coating, which consists in the fact that the process is carried out using both subsonic and supersonic plasma flows and ceramic microcomposites with a shell of SiO 2 particles with a ratio of shell and core components, in wt.%, 30-50 and 50- 70, respectively, with the dispersion of SiO 2 particles being less than 20 μm.
EA201650020A 2016-09-22 2016-09-22 Process for producing a high-density ceramic coating EA032010B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201650020A EA032010B1 (en) 2016-09-22 2016-09-22 Process for producing a high-density ceramic coating

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201650020A EA032010B1 (en) 2016-09-22 2016-09-22 Process for producing a high-density ceramic coating

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201650020A1 EA201650020A1 (en) 2018-03-30
EA032010B1 true EA032010B1 (en) 2019-03-29

Family

ID=61837345

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201650020A EA032010B1 (en) 2016-09-22 2016-09-22 Process for producing a high-density ceramic coating

Country Status (1)

Country Link
EA (1) EA032010B1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4492766A (en) * 1982-06-11 1985-01-08 Ceskoslovenska Akademie Ved Spray-coating material
KR100859672B1 (en) * 2007-12-31 2008-09-23 주식회사 코미코 Splay coating method
JP2009161789A (en) * 2007-12-28 2009-07-23 Riverstone Kogyo Kk Ceramic thermal spraying coating and its manufacturing method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4492766A (en) * 1982-06-11 1985-01-08 Ceskoslovenska Akademie Ved Spray-coating material
JP2009161789A (en) * 2007-12-28 2009-07-23 Riverstone Kogyo Kk Ceramic thermal spraying coating and its manufacturing method
KR100859672B1 (en) * 2007-12-31 2008-09-23 주식회사 코미코 Splay coating method

Also Published As

Publication number Publication date
EA201650020A1 (en) 2018-03-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Boulos Thermal plasma processing
Herman et al. Thermal spray: current status and future trends
Gerdeman et al. Arc plasma technology in materials science
Blazdell et al. Plasma spraying of submicron ceramic suspensions using a continuous ink jet printer
US5744777A (en) Small particle plasma spray apparatus, method and coated article
JP4638687B2 (en) A hybrid method for coating substrates by thermal deposition.
Mann et al. High temperature friction and wear characteristics of various coating materials for steam valve spindle application
Ulianitsky et al. Enhancing the properties of WC/Co detonation coatings using two-component fuels
Kim et al. Fabrication and characteristics of a HfC/TiC multilayer coating by a vacuum plasma spray process to protect C/C composites against oxidation
Sokołowski et al. The microstructural studies of suspension plasma sprayed zirconia coatings with the use of high-energy plasma torches
JPH04157177A (en) Method and device for producing coating film
JP2024513855A (en) Microwave plasma treatment of spheroidized copper or other metal powders
Dolmaire et al. Benefits of hydrogen in a segmented-anode plasma torch in suspension plasma spraying
Miranda et al. Atmospheric plasma spray processes: From micro to nanostructures
Fauchais Current status and future directions of thermal spray coatings and techniques
Ageorges et al. Plasma spraying of stainless-steel particles coated with an alumina shell
Saravanan et al. Experimental design and performance analysis of alumina coatings deposited by a detonation spray process
EA032010B1 (en) Process for producing a high-density ceramic coating
Berndt Thermal spray processing of nanoscale materials II—Extended abstracts
Shahien et al. Challenges upon reactive plasma spray nitriding: Al powders and fabrication of AlN coatings as a case study
Ageorges et al. Comparison of the structure and wear resistance of Al2O3–13 wt.% TiO2 coatings made by GSP and WSP plasma process with two different powders
Sánchez et al. Characterization of nanostructured ceramic and cermet coatings deposited by plasma spraying
Hazra et al. Synthesis of mullite-based coatings from alumina and zircon powder mixtures by plasma spraying and laser remelting
Tarasenko et al. The structure and physical-mechanical properties of the heat-resistant Ni-Co-Cr-Al-Y intermetallic coating obtained using rebuilt plasma equipment
Valincius et al. Preparation of insulating refractory materials by plasma spray technology

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM RU