[go: up one dir, main page]

RU2683177C1 - Method for plasma deposition of nanostructured heat shield - Google Patents

Method for plasma deposition of nanostructured heat shield Download PDF

Info

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
Application number
RU2017135618A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Арнольд Михайлович Губертов
Михаил Николаевич Полянский
Светлана Вячеславовна Савушкина
Владимир Константинович Чванов
Петр Сергеевич Левочкин
Леонид Евгеньевич Стернин
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС"
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 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС"
Priority to RU2017135618A priority Critical patent/RU2683177C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2683177C1 publication Critical patent/RU2683177C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/20Metallic material, boron or silicon on organic substrates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C24/00Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12Coating 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

FIELD: nanotechnologies.SUBSTANCE: invention relates to a method for the plasma deposition of a nanostructured heat shield. Conical nozzle is previously installed on the cut of the supersonic plasma torch nozzle, the inner surface of which forms with the inner surface of the nozzle fracture, which allows, after a break, to establish the plasma pressure with the sprayed substance in the wall part of the nozzle equal to the pressure in the vacuum chamber. Plasma torch and the substrate is installed in the chamber with reduced pressure. Dynamic vacuum in the chamber is maintained, the plasma gas and the powder of the sprayed substance is fed into the plasma torch and the substance is sprayed by a supersonic plasma flow with the formation of molten particles of micron level and vapor phase of the sprayed substance. Then, nanoparticles formed in the wall part of the nozzle and particles of micron level of the sprayed substance are deposited onto the substrate. Substrate is moved in such a way that the layers of nanoparticles and particles of micron level of the sprayed substance overlap each other.EFFECT: technical result consists in simultaneously increasing the adhesive and cohesive strength of the shield and increasing heat resistance thereof.1 cl, 5 dwg

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 nanoparticles 2 formed from the vapor phase in the near-wall part of the nozzle is applied at the periphery of the coating. Moving the flat substrate, as indicated by the arrows (alternately in one direction or the other), we obtain a coating in which layers of nanoparticles and layers of particles of micron level overlap each other. In the case of a cylindrical substrate, the substrate is rotated in one direction to achieve the same effect.

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:

Figure 00000001
Figure 00000001

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'0π(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

Figure 00000002
Следовательно, угол
Figure 00000003
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
Figure 00000002
Hence the angle
Figure 00000003

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)

Способ плазменного нанесения наноструктурированного теплозащитного покрытия на подложку, включающий 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, отличающийся тем, что 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.The method of plasma deposition of a nanostructured heat-protective coating on a substrate, which includes 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 supersonic plasma torch nozzle and spraying the substance with a supersonic plasma stream in the chamber with the formation of molten particles of micron level and vapor phase of the sprayed substance, characterized in that at the section of the supersonic nozzle n A conical nozzle is installed in azmotron, 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 near-wall part of the nozzle after the plasma is turned by the pressure angle equal to the pressure in the chamber of reduced pressure and the nanoparticles are formed in the near-wall layer of the nozzle from the vapor phase of the sprayed substance and particles of micron level from the sprayed substance, while during the spraying process the substrate is moved relative to the nozzle to ensure we overlap each other layers of nanoparticles and particles of the micron level.
RU2017135618A 2017-10-05 2017-10-05 Method for plasma deposition of nanostructured heat shield RU2683177C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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