RU2683177C1 - Method for plasma deposition of nanostructured heat shield - Google Patents
Method for plasma deposition of nanostructured heat shield Download PDFInfo
- Publication number
- RU2683177C1 RU2683177C1 RU2017135618A RU2017135618A RU2683177C1 RU 2683177 C1 RU2683177 C1 RU 2683177C1 RU 2017135618 A RU2017135618 A RU 2017135618A RU 2017135618 A RU2017135618 A RU 2017135618A RU 2683177 C1 RU2683177 C1 RU 2683177C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nozzle
- plasma
- substance
- sprayed
- substrate
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 230000008021 deposition Effects 0.000 title claims abstract description 7
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 claims abstract description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 9
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 abstract description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 20
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 19
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 15
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 4
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 4
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(iv) oxide Chemical compound O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004157 plasmatron Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000003380 propellant Substances 0.000 description 3
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Chemical compound [O-2].[Ca+2] BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Inorganic materials [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000292 calcium oxide Substances 0.000 description 1
- VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N chromium nickel Chemical compound [Cr].[Ni] VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 1
- 239000004449 solid propellant Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- 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
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
- C23C14/20—Metallic material, boron or silicon on organic substrates
-
- 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
- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
- C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
-
- 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)
- Organic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам нанесения покрытий и может быть использовано в плазмохимии, в плазмометаллургии, также может найти использование в машиностроительной промышленности для защиты теплонапряженных узлов и элементов конструкции.The invention relates to coating methods and can be used in plasmochemistry, in plasma metallurgy, can also find use in the engineering industry for the protection of heat-stressed components and structural elements.
Известен способ нанесения теплозащитных покрытий (ТЗП) для защиты теплонапряженных узлов и элементов конструкции двигательных установок от теплового и эрозионного разрушения в струе сгорания топлив, содержащих конденсированную фазу продуктов сгорания смесевого твердого топлива (1).A known method of applying heat-protective coatings (TZP) to protect heat-stressed components and structural components of propulsion systems from heat and erosion damage in the combustion stream of fuels containing the condensed phase of the combustion products of mixed solid fuel (1).
В изобретении по патенту (2) предлагается напылять в камеру сгорания жидкостных ракетных двигателей (КС ЖРД) подслой нихрома и слой керметной композиции, содержащей смесь диоксида гафния и плакированного никелем вольфрама, затем дополнительно напыляют слой диоксида гафния, стабилизированного оксидом иттрия.In the invention according to patent (2), it is proposed to spray a nichrome sublayer and a layer of a cermet composition containing a mixture of hafnium dioxide and nickel plated tungsten into the combustion chamber of liquid propellant rocket engines (LRE), then an additional layer of yttrium stabilized hafnium dioxide is sprayed.
Недостатком способа является наличие WNi в одном из слоев ТЗП, что при рабочих температурах и составе газовой среды в КС ЖРД может приводить к плавлению WNi и интенсивному окислению, и растрескиванию слоя.The disadvantage of this method is the presence of W Ni in one of the TZ layers, which at operating temperatures and the composition of the gaseous medium in the liquid propellant rocket engine can lead to melting of W Ni and intense oxidation, and cracking of the layer.
Патентом (3) защищен способ получения ТЗП, который может найти применение в ракетной технике при изготовлении КС ЖРД на основе композиции ZrO2+NiCr. Способ заключается в плазменном напылении в атмосфере сначала подслоя нихрома, а затем напыления керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей диоксид циркония и нихром. Подачу порошковой смеси осуществляют под срез сопла плазмотрона в направлении его перемещения относительно напыляемой поверхности. В качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония используют оксид кальция.Patent (3) protects a method for the production of TZP, which can be used in rocketry in the manufacture of CS LRE based on the composition ZrO 2 + NiCr. The method consists in plasma spraying in the atmosphere, first a nichrome sublayer, and then spraying a cermet composition from a mechanical powder mixture containing zirconia and nichrome. The powder mixture is supplied under the nozzle section of the plasma torch in the direction of its movement relative to the sprayed surface. As a stabilizing additive in zirconia powder, calcium oxide is used.
Недостатком способа является то, что наличие нихрома в теплозащитном слое ТЗП заметно увеличивает коэффициент теплопроводности λ, по сравнению с ТЗП, состоящим из одного ZrO2, и снижает жаростойкость, что не позволяет защищать стенку КС ЖРД от повышенных тепловых потоков.The disadvantage of this method is that the presence of nichrome in the heat-insulating layer of the thermal protection layer significantly increases the coefficient of thermal conductivity λ, in comparison with the thermal protection layer, consisting of one ZrO 2 , and reduces the heat resistance, which does not allow to protect the wall of the CS LRE from increased heat fluxes.
В настоящее время при создании перспективных ЖРД с повышенными рабочими характеристиками (давление и температура) в КС рассматриваются возможности более эффективной защиты огневых стенок КС от повышенных относительно существующих тепловых потоков, идущих от высокотемпературных продуктов сгорания в огневые стенки КС.Currently, when creating promising liquid-propellant rocket engines with improved operating characteristics (pressure and temperature), the KS considers the possibilities of more effective protection of the KS fire walls from increased relative to existing heat fluxes coming from high-temperature combustion products to the KS fire walls.
Прототипом к предлагаемому изобретению является способ нанесения покрытий из наночастиц (4), в котором в условиях динамического вакуума плазма с напыляемым порошком обтекает стенку в форме угла, отклоненного от оси плазмотрона, а в угловой точке образуется веер волн разрежения с конденсацией наночастиц из паровой фазы напыляемого материала в плазмообразующем газе и выпадением их на подложку с образованием покрытия, состоящего из наночастиц.The prototype of the present invention is a method for coating nanoparticles (4), in which, under dynamic vacuum conditions, a plasma with a sprayed powder flows around the wall in the form of an angle deviated from the axis of the plasma torch, and a fan of rarefaction waves is formed at the corner point with condensation of the nanoparticles from the vapor phase of the sprayed material in a plasma-forming gas and their deposition on a substrate with the formation of a coating consisting of nanoparticles.
К недостаткам данного способа можно отнести то, что расплавленные частицы напыляемого вещества микронного уровня из-за большой массы не участвуют в создании покрытия, а пролетают мимо подложки, не испытывая поворота к ней в веере волн разрежения.The disadvantages of this method include the fact that the molten particles of the micron-deposited material due to the large mass do not participate in the creation of the coating, but fly past the substrate without experiencing rotation towards it in a fan of rarefaction waves.
Технический результат, достигаемый заявленным способом состоит в одновременном повышении адгезионной и когезионной прочности покрытия, увеличении его теплостойкости, при использовании всего напыляемого материала, выпадающего на подложку в виде частиц микронного уровня и в виде наночастиц.The technical result achieved by the claimed method consists in simultaneously increasing the adhesive and cohesive strength of the coating, increasing its heat resistance, using all the sprayed material deposited on the substrate in the form of micron level particles and in the form of nanoparticles.
Для обеспечения технического результата предложен следующий способ нанесения покрытия.To ensure a technical result, the following coating method is proposed.
В способе плазменного нанесения наноструктурированного теплозащитного покрытия на подложку, включающем установку плазмотрона со сверхзвуковым соплом и подложки в камеру пониженного давления, поддерживание в камере динамического вакуума, подачу плазмообразующего газа и порошка напыляемого вещества в сверхзвуковое сопло плазмотрона и распыление вещества сверхзвуковым потоком плазмы в камере с образованием расплавленных частиц микронного уровня и паровой фазы напыляемого вещества, на срезе сверхзвукового сопла плазмотрона устанавливают конический насадок, внутренняя поверхность которого образует с внутренней поверхностью сопла излом, угол которого выбирают из условия обеспечения в пристеночной части насадка после разворота плазмы на упомянутый угол давления, равного давлению в камере пониженного давления, и обеспечения образования наночастиц в пристеночном слое насадка из паровой фазы напыляемого вещества и частиц микронного уровня из напыляемого вещества, при этом в процессе распыления подложку перемещают относительно сопла с обеспечением перекрытия друг другом слоев из наночастиц и частиц микронного уровня.In the method of plasma deposition of a nanostructured heat-protective coating on a substrate, including installing a plasma torch with a supersonic nozzle and a substrate in a reduced pressure chamber, maintaining a dynamic vacuum in the chamber, supplying a plasma-forming gas and powder of the sprayed substance into the ultrasonic nozzle of the plasma torch, and spraying the substance with a supersonic plasma stream in the chamber to form of molten particles of micron level and vapor phase of the sprayed substance, at the section of the supersonic nozzle of the plasma torch there are conical nozzles, the inner surface of which forms a kink with the inner surface of the nozzle, the angle of which is selected from the condition that the nozzle in the wall part after turning the plasma to the pressure angle mentioned is equal to the pressure in the chamber of reduced pressure and ensuring the formation of nanoparticles in the wall of the nozzle from the vapor phase the sprayed substance and particles of micron level from the sprayed substance, while in the process of spraying the substrate is moved relative to the nozzle with the provision of overlapping each different layers of nanoparticles and micron level particles.
Наночастицы выпадают на подложку напротив насадка в виде наноструктурированного слоя. Расплавленные частицы напыляемого вещества микронного уровня образуют на подложке напротив сопла плазмотрона классическое газотермическое покрытие.Nanoparticles fall onto the substrate opposite the nozzle in the form of a nanostructured layer. The molten particles of the micron-level deposited material form a classical thermal spray coating on the substrate opposite the plasma torch nozzle.
В отличие от прототипа, в котором напыление покрытия происходит только за счет наночастиц, в предлагаемом способе используется весь напыляемый материал. В силу повышенной активности поверхностных атомов наночастиц они способствуют увеличению когезии между слоями из микронных частиц, но способны выдержать рабочие температуры, совпадающие с рабочими температурами слоев из микронных частиц, так как они образуются из того же напыляемого вещества.In contrast to the prototype, in which the coating is sprayed only at the expense of nanoparticles, the proposed method uses all the sprayed material. Due to the increased activity of surface atoms of nanoparticles, they contribute to an increase in cohesion between layers of micron particles, but are able to withstand operating temperatures that coincide with the working temperatures of layers of micron particles, since they are formed from the same sprayed substance.
Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фигуре 1 изображен плазмотрон с установленным насадком.The figure 1 shows a plasmatron with a mounted nozzle.
На фигуре 2 приведена схема нанесения покрытия.The figure 2 shows the scheme of coating.
На фигуре 3 приведена схема установки конического насадка на сверхзвуковое сопло плазмотрона.The figure 3 shows the installation diagram of the conical nozzle on the supersonic nozzle of the plasma torch.
На фигуре 4 показано изменение газодинамических параметров течения плазмы в точке А.The figure 4 shows the change in the gas-dynamic parameters of the plasma flow at point A.
На фигуре 5 приведено увеличенное изображение с растрового электронного микроскопа поверхностного слоя ТЗП (слоя оксида гафния).The figure 5 shows an enlarged image from a scanning electron microscope of the surface layer of TZP (layer of hafnium oxide).
На фигуре 1 показан плазмотрон для нанесения покрытий. На сверхзвуковое сопло В в выходной его части устанавливают насадок С, внутренняя коническая поверхность которого образует с поверхностью сопла излом - точка А. В точке излома А реализуется веер волн разрежения Прандтля-Майера, в которых паровая фаза напыляемого вещества конденсируется с образованием наночастиц, наличие которых в покрытии значительно увеличивает его адгезию и когезию, а также теплостойкость. Обратим внимание на то, что течение с разрежением в сопле плазмотрона образуется только при истечении струи плазмы в динамический вакуум, а не в атмосферу. The figure 1 shows a plasmatron for coating. On the supersonic nozzle B in its output part, nozzles C are installed, the inner conical surface of which forms a kink with the nozzle surface — point A. At kink A, a fan of Prandtl-Meyer rarefaction waves is realized, in which the vapor phase of the sprayed substance condenses to form nanoparticles, the presence of which in the coating significantly increases its adhesion and cohesion, as well as heat resistance. We draw attention to the fact that a rarefaction flow in the plasma torch nozzle is formed only when the plasma jet expands into a dynamic vacuum, and not into the atmosphere.
Схема нанесения покрытия при помощи такого сопла приведена на фигуре 2. На схеме показано, что в средней части под соплом на подложку наносится традиционное газотермическое покрытие 1 частицами микронного уровня, которые проходят основное сопло плазмотрона и в силу относительно больших размеров не разворачиваются в насадке в веере волн разрежения, а пролетают дальше к подложке. На периферии покрытия наносится слой из наночастиц 2, образовавшихся из паровой фазы в пристеночной части насадка. Перемещая плоскую подложку, как это указано стрелками (поочередно то в одну, то в другую сторону), получаем покрытие, в котором слои из наночастиц и слои из частиц микронного уровня перекрывают друг друга. В случае цилиндрической подложки производится вращение подложки в одну сторону для достижения того же эффекта.The coating scheme using such a nozzle is shown in Figure 2. The diagram shows that in the middle part under the nozzle a traditional gas-thermal coating is applied to the substrate with 1 micron level particles that pass through the main plasma torch nozzle and, due to their relatively large size, do not unfold in the nozzle in the fan rarefaction waves, and fly further to the substrate. A layer of
На фигуре 3 приведена схема установки конического насадка на сверхзвуковое сопло плазмотрона.The figure 3 shows the installation diagram of the conical nozzle on the supersonic nozzle of the plasma torch.
Рассмотрим изменение газодинамических параметров течения плазмы в точке А, которая после излома обозначена как А'. На фигуре 4 введены следующие обозначения: MA - число Маха до точки А; MA' - число Маха после угловой точки А'.Consider the change in the gas-dynamic parameters of the plasma flow at point A, which, after a kink, is designated as A '. The following notation is introduced in FIG. 4: M A is the Mach number to point A; M A ' is the Mach number after the corner point A'.
В качестве примера возьмем сопло, используемое в плазмотроне для напыления и имеющее следующие параметры:As an example, take the nozzle used in the plasma torch for spraying and having the following parameters:
- диаметр критического сечения dкр=4 мм;- the diameter of the critical section d cr = 4 mm;
- диаметр выходного сечения dc=11 мм;- the diameter of the output section d c = 11 mm;
- число Маха в выходном сечении MA=3,32;- Mach number in the output section M A = 3.32;
- давление в плазмотроне Р0=0,15 МПа;- pressure in the plasmatron P 0 = 0.15 MPa;
- температура в плазмотроне Т0=4200 К;- the temperature in the plasmatron T 0 = 4200 K;
- давление в вакуумной камере Pk=1,5⋅102 Па.- pressure in the vacuum chamber P k = 1.5⋅10 2 Pa.
В точке А за счет насадка имеется излом проточной части сопла, и параметры течения в точке А', которая расположена сразу за точкой А после излома образующей, определяются по закономерностям течения Прандтля-Майера. Угол Прандтля-Майера (ν) определяет связь числа Маха (М) рассматриваемого течения с углом разворота в веере волн разрежения от числа М=1 до числа М по следующему выражению:At point A, due to the nozzle, there is a kink in the flow part of the nozzle, and the flow parameters at point A ', which is located immediately after point A after the kink of the generatrix, are determined by the laws of the Prandtl-Meyer flow. The Prandtl-Mayer angle (ν) determines the relationship between the Mach number (M) of the flow in question and the angle of rotation in the fan of rarefaction waves from the number M = 1 to the number M according to the following expression:
Выберем угол излома образующей насадка исходя из условия равенства давления в камере пониженного давления Pk статическому давлению в течении после прохождения разворота в веере волн разрежения и примем, что оно совпадает со статическим давлением на срезе сопла с насадком РА', иначе говоряWe choose the angle of kink of the forming nozzle on the basis of the condition that the pressure in the chamber of reduced pressure P k is equal to the static pressure during the passage of a reversal in the fan of rarefaction waves and assume that it coincides with the static pressure at the nozzle exit with nozzle P A ' , in other words
РА'=Р0π(MA')=1,5⋅102 Па,P A ' = P 0 π (M A' ) = 1.5⋅10 2 Pa,
где π(MA') - газодинамическая функция, равная отношению статического давления РА' к полному давлению Р0. Из этого выражения π(MA')=0,001, что для азота соответствует числу MA'=5,56.where π (M A ' ) is the gas-dynamic function equal to the ratio of the static pressure P A' to the total pressure P 0 . From this expression, π (M A ' ) = 0.001, which for nitrogen corresponds to the number M A' = 5.56.
Определим угол Θ, на который должен развернуться поток плазмы в точке А (см. фиг. 4) от МА=3,32 до MA'=5,56, для того чтобы сравнялись статическое давление в плазме после разворота с давлением Pk. Из газодинамических таблиц течения Прандтля-Майера следует, что Следовательно, угол Let us determine the angle Θ at which the plasma flow should unfold at point A (see Fig. 4) from M A = 3.32 to M A ' = 5.56, so that the static plasma pressure after a turn is equal to the pressure P k . From the gas-dynamic tables of the Prandtl-Mayer flow it follows that Hence the angle
Из этих же таблиц следует, что при переходе через веер волн разрежения от точки А до точки А' статическая температура падает с 1310 К до 584,6 К, а статическое давление упадет с 25,5⋅102 Па до 1,5⋅102 Па.From the same tables it follows that when passing through a fan of rarefaction waves from point A to point A ', the static temperature drops from 1310 K to 584.6 K, and the static pressure drops from 25.5⋅10 2 Pa to 1.5⋅10 2 Pa
Отметим, что быстрое охлаждение и падение статического давления, которое имеет место в точке А, приведет к резкой конденсации паров напыляемого вещества с образованием наночастиц.Note that the rapid cooling and drop in static pressure that occurs at point A will lead to a sharp condensation of the vapor of the sprayed substance with the formation of nanoparticles.
Теперь определим диаметр выходного сечения сопла с насадком, исходя из второго предположения о том, что давление Pk совпадает со статическим давлением в выходном сечении сопла с насадком.Now we determine the diameter of the outlet section of the nozzle with the nozzle, based on the second assumption that the pressure P k coincides with the static pressure in the outlet section of the nozzle with the nozzle.
Для этого определим отношение площади выходного сечения сопла «а» с насадком (диаметр da, см. фиг. 3) к площади критического сечения сопла (диаметр dкр) плазмотрона при Ма=5,56, где Ма - число Маха в выходном сечении сопла с насадком, совпадающее с числом MA'. Из газодинамических таблиц это отношение равно для азота 38,57. Отсюда следует, что da=24,8 мм.To do this, we determine the ratio of the area of the exit section of the nozzle “a” with the nozzle (diameter d a , see Fig. 3) to the critical area of the nozzle (diameter d cr ) of the plasma torch at M a = 5.56, where M a is the Mach number in the output section of the nozzle with the nozzle, matching the number M A ' . From the gas dynamic tables, this ratio is equal to 38.57 for nitrogen. It follows that d a = 24.8 mm
Рассмотрим пример осуществления предложенного способа напыления. Подготовленные образцы подложек для нанесения ТЗП помещают в камеру с пониженным давлением.Consider an example of the implementation of the proposed method of spraying. Prepared samples of substrates for applying TZP are placed in a chamber with reduced pressure.
Затем в динамическом вакууме при помощи плазмотрона с предложенным насадком напыляют сначала подслой никеля, затем слой диоксида циркония, стабилизированного 7%Y2O3 и верхний слой - оксид гафния, стабилизированного 7%Y2O3.Then, in a dynamic vacuum using a plasma torch with the proposed nozzle, first a nickel sublayer is sprayed, then a layer of zirconia stabilized with 7% Y 2 O 3 and the upper layer is stabilized with hafnium oxide stabilized with 7% Y 2 O 3 .
Режимы напыления:Spraying modes:
- плазмообразующий газ - азот.- plasma forming gas - nitrogen.
- ток дуги I, А - 100±20.- arc current I, A - 100 ± 20.
- напряжение на дуге U, В - 90±10.- voltage on the arc U, V - 90 ± 10.
- расход плазмообразующего (он же транспортирующий) газа - 60 л/мин.- the consumption of plasma-forming (also transporting) gas is 60 l / min.
Толщина подслоя никеля составляет 25-30 мкм; толщина слоя (ZrO2+7%Y2O3) - 65-70 мкм; толщина слоя (HfO2+7%Y2O3) - 10-15 мкм.The thickness of the nickel sublayer is 25-30 microns; layer thickness (ZrO 2 + 7% Y 2 O 3 ) - 65-70 microns; layer thickness (HfO 2 + 7% Y 2 O 3 ) - 10-15 microns.
Увеличенное изображение с растрового электронного микроскопа поверхностного слоя ТЗП (слоя оксида гафния), приведено на фигуре 5. Из этой фигуры видно, что на поверхности ТЗП преобладают наночастицы оксида гафния.An enlarged image from a scanning electron microscope of the surface layer of TZP (hafnium oxide layer) is shown in Figure 5. It can be seen from this figure that hafnium nanoparticles predominate on the surface of TZP.
Огневые испытания образцов проводились на установке для испытаний , при этом во время испытаний образец, помещенный в установку, охлаждался водой, тепловой поток создавался струей плазмы, истекающей из плазмотрона с указанными выше параметрами. Каждое испытание длилось 30 секунд.Fire tests of the samples were carried out in a test setup, while during the test the sample placed in the setup was cooled by water, the heat flux was created by a plasma jet flowing out of the plasma torch with the above parameters. Each test lasted 30 seconds.
Образцы с покрытием, полученные без применения насадка, выдерживали до появления трещин 7-9 испытаний. Образцы покрытия, полученные с использованием насадка, выдерживали 25 испытаний без растрескивания.Coated samples obtained without the use of a nozzle were held up to cracks 7–9 tests. The coating samples obtained using the nozzle, withstood 25 tests without cracking.
В предлагаемом способе наночастицы образуются непосредственно перед напылением покрытия и не имеют традиционных недостатков при работе с ними: не слипаются друг с другом (агрегация) и не проявляют химическую активность с окружающей их средой. Также образование наночастиц для напыления происходит экологически безопасным способом из порошков микронного уровня, т.к. весь процесс от формирования наночастиц до нанесения покрытий, происходит в замкнутом пространстве камеры.In the proposed method, nanoparticles are formed immediately before coating deposition and do not have traditional disadvantages when working with them: they do not stick together (aggregation) and do not exhibit chemical activity with their environment. Also, the formation of nanoparticles for deposition occurs in an environmentally friendly way from micron level powders, because the whole process from the formation of nanoparticles to coating occurs in the enclosed space of the chamber.
ИсточникиSources
1. ОСТ 92-1406-68 «Покрытия эрозионно-стойкие неметаллические».1. OST 92-1406-68 "Coatings erosion-resistant non-metallic."
2. В.В. Сайгин, А.В. Сафронов и др. Способ получения эрозионностойких теплозащитных покрытий. Патент РФ №2499078, 2012.2. V.V. Saigin, A.V. Safronov et al. A method for producing erosion-resistant heat-protective coatings. RF patent No. 2499078, 2012.
3. В.В. Сайгин, В.П. Воеводин и др. Способ получения эрозионно стойких теплозащитных покрытий. Патент РФ №2283363, 2003.3. V.V. Saigin, V.P. Voevodin and others. A method of obtaining erosion-resistant heat-resistant coatings. RF patent No. 2283363, 2003.
4. Т.А. Евдокимова, М.Н. Полянский и др. Способ нанесения покрытия. Патент РФ №2436862, 2010.4. T.A. Evdokimova, M.N. Polyansky et al. Method of coating. RF patent No. 2436862, 2010.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017135618A RU2683177C1 (en) | 2017-10-05 | 2017-10-05 | Method for plasma deposition of nanostructured heat shield |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017135618A RU2683177C1 (en) | 2017-10-05 | 2017-10-05 | Method for plasma deposition of nanostructured heat shield |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2683177C1 true RU2683177C1 (en) | 2019-03-26 |
Family
ID=65858688
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017135618A RU2683177C1 (en) | 2017-10-05 | 2017-10-05 | Method for plasma deposition of nanostructured heat shield |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2683177C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4293584A (en) * | 1980-01-14 | 1981-10-06 | Clayton Erith T | Method of plating with a portable mechanical plater |
US6502767B2 (en) * | 2000-05-03 | 2003-01-07 | Asb Industries | Advanced cold spray system |
RU2421418C2 (en) * | 2004-08-18 | 2011-06-20 | Каликсо Гмбх | Chemical deposition from vapour phase at atmospheric pressure |
RU2436862C1 (en) * | 2010-03-16 | 2011-12-20 | Государственный научный центр Российской Федерации - Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша" (ФГУП "Центр Келдыша") | Procedure for application of coating |
US8834964B2 (en) * | 2009-12-11 | 2014-09-16 | Ngimat, Co. | Process for forming high surface area embedded coating with high abrasion resistance |
US9040116B2 (en) * | 2009-11-12 | 2015-05-26 | Mtu Aero Engines Gmbh | Method and device for coating components |
-
2017
- 2017-10-05 RU RU2017135618A patent/RU2683177C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4293584A (en) * | 1980-01-14 | 1981-10-06 | Clayton Erith T | Method of plating with a portable mechanical plater |
US6502767B2 (en) * | 2000-05-03 | 2003-01-07 | Asb Industries | Advanced cold spray system |
RU2421418C2 (en) * | 2004-08-18 | 2011-06-20 | Каликсо Гмбх | Chemical deposition from vapour phase at atmospheric pressure |
US9040116B2 (en) * | 2009-11-12 | 2015-05-26 | Mtu Aero Engines Gmbh | Method and device for coating components |
US8834964B2 (en) * | 2009-12-11 | 2014-09-16 | Ngimat, Co. | Process for forming high surface area embedded coating with high abrasion resistance |
RU2436862C1 (en) * | 2010-03-16 | 2011-12-20 | Государственный научный центр Российской Федерации - Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша" (ФГУП "Центр Келдыша") | Procedure for application of coating |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Liu et al. | A review and progress of multiphase flows in atmospheric and low pressure plasma spray advanced coating | |
US8007899B2 (en) | Segmented abradable coatings and process(es) for applying the same | |
US7482035B2 (en) | Method of coating a substrate by a thermal application of the coating material | |
Fauchais | Current status and future directions of thermal spray coatings and techniques | |
US8052074B2 (en) | Apparatus and process for depositing coatings | |
US20070116809A1 (en) | Process for coating articles and articles made therefrom | |
EP2336381B1 (en) | Plasma application of thermal barrier coatings with reduced thermal conductivity on combustor hardware | |
Joulia et al. | Tailoring the spray conditions for suspension plasma spraying | |
JP2011047049A (en) | Method of depositing protective coating on turbine combustion component | |
WO2009155702A1 (en) | Low-temperature oxy-fuel spray system and method for depositing layers using same | |
Endo et al. | Thermal spray using a high-frequency pulse detonation combustor operated in the liquid-purge mode | |
RU2499078C1 (en) | Production method of erosion-resistant heat-protective coatings | |
US20110086177A1 (en) | Thermal spray method for producing vertically segmented thermal barrier coatings | |
US20080044663A1 (en) | Dual layer ceramic coating | |
Mishra | Life enhancement of gas turbine combustor liner through thermal barrier coating | |
Gulyaev et al. | Microstructure formation properties of ZrO2 coating by powder, suspension and liquid precursor plasma spraying | |
RU2683177C1 (en) | Method for plasma deposition of nanostructured heat shield | |
Szymański et al. | Microstructure of TBC coatings deposited by HVAF and PS-PVD methods | |
Chen et al. | Erosion behavior of PS-PVD thermal barrier coatings and the effect of composite coating (PS-PVD+ APS) thickness | |
Lima et al. | Thermal and environmental barrier coatings (TBCs/EBCs) for turbine engines | |
RU2534714C2 (en) | Production of erosion- and heat-resistant coatings | |
JP2007138299A (en) | Method for coating article and article coated thereby | |
Fauchais et al. | Sprays used for thermal barrier coatings | |
US20250092502A1 (en) | Method for applying thermal barrier coating and heat-resistant member | |
Muehlberger et al. | LPPS-thin film processes: overview of origin and future possibilities |