Technology of obtaining composite conglomerate powders for plasma spraying of high-temperature protective coatings

Cover Page

Cite item

Abstract

Introduction. For parts of gas turbines operating under conditions of corrosion-erosion and intense wear, the most acceptable are compositions containing Ni, Co, Cr, Al, B, Y both in pure form and in the composition of compounds applied on the contact surface during thermal spraying. Modern integrated complexes obtained by combining dissimilar substances in the form of a single composition are promising. Such powders are obtained either by cladding or by conglomeration of finely dispersed starting components into a larger particle. The problem of developing and manufacturing plants for conglomeration of powders is urgent and practically important, since it makes it possible to obtain material for thermal spraying of coatings for high-temperature purposes. The aim of the work is to develop a technological scheme for obtaining powders of the required chemical composition with a given particle shape and size, intended for spraying high-temperature protective coatings. Materials and research methods. A technology is developed for the production of integrated powders for spraying coatings using the method of spray drying and subsequent sintering in vacuum or in an argon-hydrogen atmosphere, which avoids the loss of feedstock due to the return of fine and coarse fractions. A technology for preparing materials for spray drying and granulation is proposed. A gravity type aerodynamic classifier is designed and manufactured, which makes it possible to select automatically the powder fraction necessary for spraying the coating, as well as return the unwanted fraction for recycling. The morphology of the granular powder is determined using a TESCAN scanning electron microscope. The chemical composition of the resulting integrated complexes is determined by X-ray microanalysis on an OXFORD attachment. Results and discussion. The technological conditions for obtaining powders of a given size (40…100 µm) are established. It is shown that the shape of the conglomerate particles after spray drying is close to spherical. On the basis of a multifactor experiment, the optimization of the technological process for obtaining powders Ni-17Cr-10Al-1Y and Ni-22Cr-16Al-1Y with sizes up to 100 µm is performed. It is shown that when conglomerating powders with increased aluminum content (Ni-22Cr-16Al-1Y), it is necessary to take into account the exothermic reaction of nickel aluminide formation and dilute the mixture of initial components before sintering with the finished sintered powder. The resulting integrated complexes are characterized by high heat resistance; therefore they are designed and successfully used for plasma spraying of protective coatings for high-temperature purposes. Conclusions. A technology is developed for obtaining composite conglomerated powders Ni-17C-10Al-1Y and Ni-22Cr-16Al-1Y with particle sizes up to 100 µm and a shape close to spherical. A distinctive feature of this technology is that it avoids the loss of feedstock by returning fine and coarse fractions.

About the authors

B. N. Guzanov

Email: guzanov_bn@mail.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, Russian State Vocational Pedagogical University, 11 Mashinostroiteley str., Ekaterinburg, 620012, Russian Federation, guzanov_bn@mail.ru

N. B. Pugacheva

Email: nat@imach.uran.ru
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Institute of Engineering Science, Ural Branch of Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya str., Ekaterinburg, 620049, Russian Federation, nat@imach.uran.ru

E. Yu. Slukin

Email: slukin@cniim-ekt.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 19 Mira str., Ekaterinburg, 620002, Russian Federation, slukin@cniim-ekt.ru

T. M. Bykova

Email: tatiana_8801@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Engineering Science, Ural Branch of Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya str., Ekaterinburg, 620049, Russian Federation, tatiana_8801@mail.ru

References

  1. Rickerby D.S., Winstone M.R. Coatings for gas tyrbines // Journal of Manufacturing Processes. – 1992. – Vol. 7, iss. 4. – P. 485–526. – doi: 10.1080/10426919208947439.
  2. Burgel R. Coating service experience with industrial gas turbines // Journal of Materials Science and Technology. – 1986. – Vol. 2. – P. 302–308. – doi: 10.1179/mst.1986.2.3.302.
  3. Гузанов Б.Н., Косицын С.В., Пугачева Н.Б. Упрочняющие защитные покрытия в машиностроении. – Екатеринбург: УрО РАН, 2003. – 244 с. – ISBN 5-7691-1405-3.
  4. Chaki T.K., Singht A.K., Sadananda K. Effect of Co-Cr-Al-Y coating on microstructural stability and creep behavior of nickel-base superalloy // Thin Solid Films. – 1989. – Vol. 168. – P. 207–220. – doi: 10.1016/0040-6090(89)90007-2.
  5. Мубояджан С.А., Лесников В.П., Кузнецов В.П. Комплексные защитные покрытия турбинных лопаток авиационных ГТД. – Екатеринбург: Квист, 2008. – 208 с. – ISBN 5-900474-60-7.
  6. Газотермическое напыление композиционных порошков / А.Я. Кулик, Ю.С. Борисов, А.С. Мнухин, М.Д. Никитин. – Л.: Машиностроение, 1985. – 199 с.
  7. Uusitalo M.A., Vuristo P.M.J., Mantyla T.A. Elevated temperature erosion-corrosion of thermal sprayed coatings in chlorine containing environments // Wear. – 2002. – Vol. 252, iss. 7–8. – P. 586–594. – doi: 10.1016/S0043-1648(02)00014-5.
  8. Lai G.Y. High-temperature corrosion and materials application. – Materials Park, Ohio: ASM International, 2007. – 461 p. – ISBN 978-0-87170-853-3.
  9. Sidhu S.S., Prakash S. Performance of NiCrAlY, Ni-Cr, Stellite-6 and Ni3Al coatings in Na2SO4-60% V2O5 environment at 900° under cyclic conditions // Surface and Coatings Technology. – 2006. – Vol. 201, iss. 3–4. – P. 1643–1654. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2006.02.035.
  10. Matthews S., Schweizer M. Optimization of arc-sprayed Ni-Cr-Ti coatings for high temperature corrosion applications // Journal of Thermal Spray Technology. – 2013. – Vol. 22, iss. 4. – P. 538–550. – doi: 10.1007/s11666-013-9914-y.
  11. Конгломерированные композиционные порошки для газотермического напыления / В.Р. Калиновский, Ю.В. Соколов, А.Ф. Ильющенко, В.В. Трощий, А.В. Калиновский // Перспективы развития поверхностного и объемного упрочнения сплавов: сборник научных трудов, посвященный 40-летию кафедры «Материаловедение в машиностроении» / под ред. Л.Г. Ворошина. – Минск, 2004. – С. 124–133.
  12. Ильинкова Т.А., Барсукова Е.А., Тагиров А.Т. Взаимосвязь характеристик порошковых материалов и механических свойств плазменных теплозащитных покрытий // Вестник технологического университета. – 2015. – Т. 18, № 15. – С. 116–121.
  13. Особенности структуры и свойств γ+β сплавов Ni-Cr-Al вблизи эвтектического состава / С.В. Косицын, Б.Н. Гузанов, С.Д. Алексин, А.А. Копылов // Физика металлов и металловедение. – 1990. – № 9. – С. 114–122.
  14. Tingaud D. Nardou F. Influence of non-reactive particles on the microstructure of NiAl and NiAl–ZrO2 processed by thermal explosion // Intermetallics. – 2008. – Vol. 16, iss. 5. – P. 732–737. – doi: 10.1016/j.intermet.2008.02.016.
  15. Пугачева Н.Б. Современные тенденции развития жаростойких покрытий на основе алюминидов железа, никеля и кобальта // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. – 2015. – Iss. 3. – P. 51–82. – doi: 10.17804/2410-9908.2015.3.051-082. – URL: https://www.dream-journal.org/DREAM_Issue_3_2015_Pugacheva_N._B._051_082..pdf (дата обращения: 14.01.2021).
  16. Studying the structure and adhesion strength of thermal barriers coating / N.B. Pugacheva, B.N. Guzanov, N.V. Obabkov, T.M. Bykova, N.S. Michurov // AIP Conference Proceedings. – 2019. – Vol. 2176. – P. 030013-1–030013-4. – doi: 10.1063/1.5135137.
  17. Особенности создания комбинированных теплостойких покрытий для деталей высокотемпературного назначения / Б.Н. Гузанов, Н.Б. Пугачева, В.Д. Алексеев, Е.Ю. Слукин // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. – 2020. – Т. 22, № 3. – С. 12–19. – doi: 10.15593/2224-9877/2020.3.02.
  18. Белопольский М.С. Сушка керамических суспензий в распылительных сушилках. – М.: Стройиздат, 1972. – 126 с.
  19. Поляков А.А., Круглицкий Н.Н. Распылительная сушка в технологии радиоэлектронных материалов. – М.: Радио и связь, 1982. – 70 с.
  20. Лыков М.М., Леончик Б.И. Распылительные сушилки. – М.: Машиностроение, 1966. – 331 с.
  21. Патент 3960545 США, МКИ В 22 F 9/00. Cermet plasma flame spray powder, method for producing same and articles produced the reform / Port D.J., Lafferty W.D., Cheney R.F. (USA); GTE Sylvania Incorporated (USA). – N 561638. – Publ. 01.06.1976.
  22. Патент 4025334 США, МКИ В 22 F 1/00, C 23 C 7/00. Tungsten carbide-cobalt flame spray powder and method / Cheney R.F., Lafferty W.D., Long G. (USA); GTE Sylvania Incorporated (USA). – N 674961. – Publ. 24.05.1977.
  23. Патент 3881911 США, МКИ С 22 C 1/04-1/05, С 04 B 35/52-35/38. Free flowing, sintered refractory agglomerates / Cheney R.F., Lafferty W.D., Long G. (USA); GTE Sylvania Incorporated (USA). – N 411663. – Publ. 06.05.1975.
  24. Stecura S. Effects of yttrium, aluminum and chromium concentrations in bond coatings on the performance of zirconia-yttria thermal barriers // Thin Solid Films. – 1980. – Vol. 73, iss. 2. – P. 481–489. – doi: 10.1016/0040-6090(80)90521-0.
  25. Mrdak M.R. Mechanical properties and metallographic analysis of plasma spray ABS – Ni5.5wt.%Al5wt.%Mo coatings // Vojnotehnicki glasnik / Militaru Technical Courier. – 2019. – Vol. 67, iss. 3. – P. 573– 587. – doi: 10.5937/vojtehg67-17424.
  26. Витман Л.А., Кацнельсон Б.Д., Палеев В.И. Распыливание жидкости форсунками. – М.: Госэнергоиздат, 1962. – 264 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».