Институт проблем машиностроения РАН – филиал Федерального исследовательского центра «Институт прикладной физики им. А. В. Гапонова-Грехова Российской академии наук», Нижний Новгород, Россия

И. Н. Царева, заведующая лабораторией, канд. физ.-мат. наук, эл. почта: irichatsareva@mail.ru
Л. А. Кривина, старший научный сотрудник, канд. техн. наук, эл. почта: krivina.elizaveta@mail.ru

Е. Н. Разов, старший научный сотрудник, эл. почта: razov_e@mail.ru

Институт проблем машиностроения РАН – филиал Федерального исследовательского центра «Институт прикладной физики им. А. В. Гапонова-Грехова Российской академии наук», Нижний Новгород, Россия¹ ; Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева, Нижний Новгород, Россия²

О. Б. Бердник, доцент кафедры материаловедения, технологий материалов и термической обработки металлов¹, ведущий научный сотрудник², канд. техн. наук, эл. почта: berdnik80@mail.ru

Важным направлением в области газотермических технологий является разработка теплозащитных керамических покрытий для термонагруженных деталей энергетического и авиационного машиностроения (камер сгорания, рабочих и направляющих лопаток, защитных пластин, тепловых экранов газовых турбин). Однако коэффициент термического расширения и значение твердости металлокерамических покрытий значительно отличаются от металлической основы обрабатываемых деталей. Поэтому с целью создания плавного перехода от подложки к рабочему керамическому слою формируют сначала переходный слой (подслой) из многокомпонентных порошковых материалов системы Ni – Cr – Co – Al – Y. Наиболее востребованными на отечественном рынке черной металлургии являются порошковые материалы марки ПНХ20К20Ю13 разных производителей. Изучены свойства данного интерметаллидного порошкового материала отечественного производства с дисперсностью частиц от 40 до 80 мкм и выполнено его апробирование в качестве исходного материала для плазменного напыления жаростойкого покрытия. Методами рентгенофазового и микроструктурного анализа установлено, что порошок имеет интерметаллидный фазовый состав на основе β-Ni(Me)Al-фазы. При высокотемпературном воздействии плазменного потока в напыляемом материале происходит фазовое превращение β → γ’. Методом дериватографических исследований установлено, что фазовый переход происходит в интервале температур 660–839 °C. В результате формируется покрытие системы Ni – Cr – Co – Al – Y с двухфазным интерметаллидным составом (β-Ni(Me)Al + γ′-(Ni, Me)₃Al), слоистой микроструктурой зерен и дендритной структурой сфероидальных зерен. Покрытие характеризуется низкой общей пористостью (~5 %), твердостью по Виккерсу HV = 5,5 ГПа, шероховатостью Ra = 6,5 мкм. Исследованное покрытие рекомендовано к использованию как в качестве подслоя в составе двухслойных теплозащитных покрытий, так и в виде самостоятельного жаростойкого покрытия для защиты ответственных деталей энергетического и авиационного машиностроения.

Работа выполнена в рамках государственного задания ИПФ РАН на выполнение фундаментальных научных исследований на 2024–2026 гг. FFUF -2024-0031. № НИОКТР 1023032800130-3-2.3.2.

1. Каблов Е. Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2015. № 1 (34). С. 3–33.
2. Kuzmin V. I., Gulyaev I. P., Sergachev D. V., Palagushkin B. V. et al. Formation of highly concentrated heterogeneous flows during plasma deposition of powder materials // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2131. 052095. DOI: 10.1088/1742-6596/2131/5/052095
3. Tarasenko Y. P., Tsareva I. N., Berdnik O. B. About properties of ZrO₂ thermal protective coatings obtained from spherical powder mixtures // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. 2017. Vol. 857. 012004. DOI: 10.1088/1742-6596/857/1/012004
4. Тарасенко Ю. П., Царева И. Н., Бердник О. Б., Кривина Л. А. и др. Плазменное теплозащитное покрытие диоксида циркония для охлаждаемых лопаток газовых турбин энергетических установок // Перспективные методы поверхностной обработки деталей машин. — М. : Ленанд, 2018. С. 326–352.
5. Tsareva I. N., Maximov M. V., Kuzmin V. I. High thickness coating of zirconium dioxide for thermal protection of metal alloys // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 224. 01023. DOI: 10.1051/matecconf/201822401023
6. Oguntuyi S. D., Johnson O. T., Shongwe M. B., Jeje S. O. et al. The effects of sintering additives on the ceramic matrix composite of ZrO2: microstructure, densification, and mechanical properties – a review // Advances in Applied Ceramics. 2021. Vol. 120, Iss. 5-8. P. 319–335.
7. Meena K. L., Vidyasagar Ch. S., Karunaka Benny D. Mechanical and tribological properties of alumina toughened zirconia composites through conventional sintering and microwave sintering // Trans Indian Inst Met. 2020. Vol. 73. P. 1909–1923. DOI: 10.1007/s12666-020-02001-y
8. Qi B., Liang S., Li Y., Zhou C. et al. ZrO₂ matrix toughened ceramic materialstrength and toughness // Adv. Eng. Mater. 2022. 2101278. DOI: 10.1002/adem.202101278
9. Olhero S. M., Torres P. M., Mesquita-Guimarãesb J., Baltazar J. et al. Conventional versus additive manufacturing in the structural performance of dense alumina-zirconia ceramics: 20 years of research, challenges and future perspectives // Journal of Manufacturing Processes. 2022. Vol. 77. P. 838–879. DOI: 10.1016/j.jmapro.2022.02.041
10. Бобкова Т. И., Григорьев А. А., Жиров Д. С. Разработка композиционных порошков и покрытий для защиты и восстановления изделий, претерпевающих существенное температурное воздействие в процессе эксплуатации // Вопросы материаловедения. 2020. № 3(103). С. 70–78. DOI: 10.22349/1994-6716-2020-103-3-70-78.
11. Ершова И. О., Федотенкова О. Б. Порошковые композиционные материалы на основе молибдена // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2015. № 1. С. 93–98.
12. Дьячкова Л. Н. Порошковые композиционные материалы на основе железа, получаемые инфильтрацией // Порошковая металлургия в Беларуси. Вызовы времени. — Минск : Белоруская навука, 2017. С. 201–218.
13. Геращенкова Е. Ю., Васильев А. Ф., Самоделкин Е. А., Фармаковский Б. В. Технология получения композиционного наноструктурированного порошка для нанесения защитных покрытий // Вопросы материаловедения. 2020. Т. 101. № 1. С. 97–103.
14. Tian L. H., Feng Z. K., Xiong W. Microstructure, microhardness, and wear resistance of AlCoCrFeNiTi/Ni60 coating by plasma spraying // Coatings. 2018. Vol. 8, Iss. 3. 112. DOI: 10.3390/COATINGS8030112
15. Tarasenko Y. P., Tsareva I. N., Berdnik O. B., Fel’ Y. A. et al. Development and postoperation state of Ni-Co-Cr-Al-Y plasma heat-resistant // Journal of Machinery Manufacture and Relability. 2016. Vol. 45. No. 3. P. 252–257. DOI: 10.3103/S1052618816030183
16. Токарев А. О., Кузьмин В. И., Малыгина Я. К. Повышение качества металлического порошкового покрытия при плазменном напылении с кольцевой инжекцией порошка // Актуальные проблемы в машиностроении. 2016. № 3. С. 370-377.

17. Kornienko E. E., Rubtsova O. A., Gulyaev I. P., Kuzmin V. I. Structural features of the coatings of the Ni-Al system obtained by air-plasma spraying // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering: The International Conference “Modern Technologies and Materials of New Generations” (Tomsk, Russia, 9–13 Oct., 2017). S. l. : IOP Publishing, 2018. Vol. 286. No. 1. 012028. DOI: 10.1088/1757-899X/286/1/012028
18. ГОСТ 18898–89. Изделия порошковые. Методы определения плотности, содержания масла и пористости. — Введ. 01.01.1991.
19. ГОСТ 2789–73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. — Введ. 01.01.1975.
20. Жуков А. Н., Якушев В. В., Ананьев С. Ю., Добрыгин В. В. и др. Исследование алюминида никеля, образовавшегося при ударно-волновом нагружении смесей алюминия с никелем в плоских ампулах сохранения // Физика горения и взрыва. 2018. Т. 54. Вып. 1. С. 72–80. DOI: 10.15372/FGV20180110
21. Оспенникова О. Г., Базылева О. А., Евгенов А. Г., Аргинбаева Э. Г. и др. Микроструктурные и фазовые превращения в интерметаллидном сплаве на основе Ni3Al после термической обработки и горячего изостатического прессования // Авиационные материалы и технологии. 2016. № S 1(4). С. 36–43.
22. Архангельская А. А. Фазовые превращения при нагреве в Ni-Al сплавах с исходной микроструктурой мартенсита. — Екатеринбург : ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина», 2012. С. 276–279.
23. Бондаренко Ю. А., Базылева О. А., Раевских А. Н., Нарский А. Р. Исследования по созданию новой высокотемпературной матрицы на основе интерметаллидов NiAl - Ni3Al // Труды ВИАМ. 2018. № 11. С. 3–11. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-11-3-11
24. Евгенов А. Г., Неруш С. В., Василенко С. А. Получение и опробование мелкодисперсного металлического порошка высокохромистого сплава на никелевой основе применительно к лазерной LMD-наплавке // Труды ВИАМ. 2014. № 5. С. 1–19.
25. Шеховцов В. В., Волокитин В. Г., Волокитин Г. Г., Скрипникова Н. П. и др. Влияние термической плазмы на образование керамических микросфер. Часть 1. Характер нагрева и испарения // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2017. № 5. С. 143–150.