Formation of nanogetherogenic materials with increased characteristics of heat resistance

The work performed the researches, aimed at creating compositions - nanoheterogeneous materials with increased characteristics of heat resistance. A critical analysis of widely studied brands of coatings from the standpoint of modern materials science was conducted, at the result of what was shown t...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2022
Автори: Shchepetov , Vitalii, Kovtun , Svitlana, Kharchenko , Serhii, Nazarenko , Oleg
Формат: Стаття
Мова:Українська
Опубліковано: General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2022
Теми:
Онлайн доступ:https://systemre.org/index.php/journal/article/view/559
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:System Research in Energy
Завантажити файл: Pdf

Репозитарії

System Research in Energy
_version_ 1871104061679337472
author Shchepetov , Vitalii
Kovtun , Svitlana
Kharchenko , Serhii
Nazarenko , Oleg
author_facet Shchepetov , Vitalii
Kovtun , Svitlana
Kharchenko , Serhii
Nazarenko , Oleg
author_institution_txt_mv [ { "author": "Vitalii Shchepetov ", "institution": null }, { "author": "Svitlana Kovtun ", "institution": null }, { "author": "Serhii Kharchenko ", "institution": null }, { "author": "Oleg Nazarenko ", "institution": null } ]
author_sort Shchepetov , Vitalii
baseUrl_str https://systemre.org/index.php/journal/oai
collection OJS
datestamp_date 2026-07-18T12:57:42Z
description The work performed the researches, aimed at creating compositions - nanoheterogeneous materials with increased characteristics of heat resistance. A critical analysis of widely studied brands of coatings from the standpoint of modern materials science was conducted, at the result of what was shown that many of the applied heterogeneous nanostructured protective coatings can be recognized as neither rational in composition nor the best in properties. Of the known groups of materials with special physical and chemical properties, the least studied are nanostructured nanoheterogeneous coatings, due to the lack of a rigorous theory and the presence of criteria selected for its evaluation. Therefore, the aim of the work became a develop general principles for obtaining rational compositions of nanoheterogeneous coatings with increased characteristics of high heat resistance. Nickel was chosen as the basis for the heterogeneous coating. The results of the study of the protective nanoheterogeneous coating of the Ni–Al–Ti–C–SiO2–Al2O3–B2O system are presented. The proposed coatings differ in that they have an order of magnitude higher resistance to oxidation compared to stainless steel. Wear intensity indicators remain virtually unchanged over the entire temperature range and are much lower than traditionally used wear-resistant materials. At the change of speed of sliding in the conditions of the increased loadings intensity of wearing remains practically invariable and is twice less in comparison with coverings of tungsten carbide.
doi_str_mv 10.15407/pge2022.01-02.097
first_indexed 2026-03-24T02:02:13Z
format Article
fulltext 97 Формування наногетерогенних матеріалів з підвищеними показниками жаростійкості ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2022, issue 1-2(68-69) ISSN 2522-4344 (Online), ISSN 1562-8965 (Print). The problems of general energy, 2022, 1-2(68-69): 97–104 doi: https://doi.org/10.15407/pge2022.01-02.097 УДК 629.083 Віталій Щепетов, д.т.н., проф., https://orcid.org/0000-0002-8352-8307 Світлана Kовтун, д.т.н., ст.досл., https://orcid.org/0000-0002-6596-3460 Сергій Харченко*, к.т.н., https://orcid.org/0000-0001-9808-7607 Олег Назаренко, к.т.н., https://orcid.org/0000-0003-1873-1971 Інститут загальної енергетики НАН України, вул. Антоновича, 172, м. Київ, 03150, Україна; e-mail: info@ienergy.kiev.ua * Автор-кореспондент: nanoavia@ukr.net ФОРМУВАННЯ НАНОГЕТЕРОГЕННИХ МАТЕРІАЛІВ З ПІДВИЩЕНИМИ ПОКАЗНИКАМИ ЖАРОСТІЙКОСТІ Анотація. У роботі виконані дослідження, направлені на створення композицій – нано- гетерогенних матеріалів з підвищеними показниками жаростійкості. Проведено критич- ний аналіз широко досліджених марок покриттів з позиції сучасного матеріалознавства, в результаті якого показано, що багато з застосовуваних гетерогенних наноструктурних захисних покриттів не можуть бути визнані ні раціональними за складом, ні найкращи- ми за властивостями. Із відомих груп матеріалів зі спеціальними фізичними і хімічними властивостями найменш вивчені наноструктурні наногетерогенні покриття, що поясню- ється відсутністю строгої теорії і наявністю критеріїв, які обираються для її оцінки. Тому метою роботи стало розроблення загальних принципів отримання раціональних компо- зицій наногетерогенних покриттів з підвищеними показниками жаростійкості. В якості основи гетерогенного покриття було обрано нікель. Наведено результати дослідження захисного наногетерогенного покриття системи Ni–Al–Ti–C–SiO 2 –Al 2 O 3 –B 2 O. Запропо- новані покриття відрізняються тим, що мають на порядок вищу стійкість до окислення порівняно з нержавіючою сталлю. Показники інтенсивності зношування залишаються практично незмінними у всьому діапазоні температур, та значно нижчі від традиційно застосовуваних зносостійких матеріалів. При зміні швидкості ковзання в умовах під- вищених навантажень інтенсивність зношування залишається практично незмінною і вдвічі менша у порівнянні з покриттями карбіду вольфраму. Ключові слова: жаростійкі покриття, сплав, стійкість до окиснення, інтенсивність зно- шування, жаростійкість. 1. Вступ Жаростійкість пов’язана зі стійкістю металів і сплавів до окиснення за високих температур. Основним фактором, який впливає на жаростій- кість матеріалу, є його хімічний склад, який ви- значає захисні властивості оксидної плівки. Незважаючи на велику кількість робіт [1–5], проведені багаточисленні дослідження, залишаєть- ся актуальною проблема розробки нових і модер- нізація традиційних методів захисту металів при дії високих температур. Традиційні способи під- вищення жаростійкості поступово втрачають свою актуальність, а нові в достатній мірі не розроблені. Для обґрунтування раціональних композицій наногетерогенних покриттів з підвищеними по- казниками жаростійкості проведемо критичний аналіз широко досліджених марок покриттів з по- зиції сучасного матеріалознавства. Для формування жаростійких покриттів існує кілька найбільш застосовуваних груп неорганіч- них матеріалів (рис. 1). Жаростійкістю володіють метали, що утворюють щільні оксиди (оксидні плівки): Al, Zn, Sn, Pb, Сr, Mn, Be [4–6]. Широкого використання у якості жаростій- ких покриттів отримали сплави на основі заліза, нікелю, залізонікелеві сталі та сплави, леговані хромом та іншими елементами (Al, Si, Y та ін.). У покриттях на основі заліза, що містить більше 13% Сr, замість оксиду FeO, утворюється більш складний оксид типу шпінелі МеО, Сr2O3. Збіль- шення вмісту хрому в залізних покриттях до 25–30% підвищує їх жаростійкість, особливо при додатковому легуванні алюмінієм, кремнієм, ітрі- єм. Леговані оксиди заліза заміщуються оксидом хрому. Чим більше вміст хрому в покритті, тим вище максимальна робоча температура та біль- ший ресурс експлуатації виробів [4]. На вироби із жаростійких хромонікелевих сталей (20Х23Н18, 20Х25Н20С2 та ін.) і сплавів (Х20Н80 та ін.) наносять більш високожаростійкі покриття. Поряд з додатковим поверхневим легу- ванням наносять зовнішні покриття. Розроблено спеціальні жаростійкі покриття із сплавів на осно- ві систем Me–Cr–Al–Y (Ni–Cr–Al–Y; Co–Cr–Al–Y; © В. ЩЕПЕТОВ, С. KОВТУН, С. ХАРЧЕНКО, О. НАЗАРЕНКО, 2022 98 В. ЩЕПЕТОВ, С. КОВТУН, С. ХАРЧЕНКО, О. НАЗАРЕНКО ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2022, issue 1-2(68-69) Ni–Co–Cr–Al–Y тощо). Встановлено, що оптималь- на концентрація Y залежить від складу сплаву і зна- ходиться в межах 0,08–0,35%. Позитивний вплив Y в малих концентраціях пов’язано з ефектом збіль- шення окалиностійкості. При цьому з’являється пе- реважна орієнтація в структурі плівки; знижуються внутрішні напруження; збільшується адгезійний зв’язок плівки з металевим покриттям. Більш високі концентрації Y (більше 0,6%) підвищують крихкість покриття за рахунок виділення металідної фази NiY по границі кристалітів. Ресурс експлуатації жаростійких покриттів значною мірою визначається товщиною захисно- го шару. При великих товщинах через збільшення загальної кількості Al і Y ресурс зростає, в той же час при певному збільшенні товщини знижується витривалість системи. Наприклад, нанесення ато- марних, конденсаційних покриттів електронно- променевим випаровуванням або іонно-плазмо- вим розпиленням товщиною від 40–60 мкм до 100 мкм і вище призводить до істотного зменшення границь витривалості [5]. Жаростійкі покриття на основі заліза та ніке- лю, легованого хромом та іншими елементами, застосовуються у виробах різного призначення з широким діапазоном розмірів та неоднозначни- ми вимогами до жаростійкості та термостійкості. Найвища якість жаростійких покриттів досяга- ється при твердофазній схемі формування. Відомі технології виробництва напівфабрикатів (листів, полос, стрічок та ін.) з карбонових або низько- легованих сталей із жаростійкими покриттями, отриманими при спільному деформуванні (про- катці, пресуванні). Для дрібногабаритних виробів використовують оплавлення металевих порошко- вих композицій із самофлюсуючих сплавів (Me– Cr–Si–V). Широке застосування отримало порош- кове, дротове та шнурове газотермічне напилен- ня, особливо з використанням високошвидкісних потоків напилюваних частинок. У якості жаростійких покриттів із високими температурами експлуатації можуть бути вико- ристані сплави на основі міді (бронзи), легованої хромом, алюмінієм, берилієм, кремнієм тощо. При високотемпературній окиснювальній вза- ємодії на поверхні утворюється міцна оксидна плівка з легуючих елементів, що має найкращі за- хисні властивості порівняно з оксидами міді СuО, Сu2О. Нанесення бронзових покриттів доцільно здійснювати газотермічним напиленням. Тонкі і щільні покриття наносять конденсаційно-вакуум- ним осаджуванням [7]. Жаростійкість ряду металевих сполук досить висока, і для деяких з них не менше, ніж у спла- вів на залізних і нікелевих основах. Широкого за- стосування знайшли жаростійкі покриття з алю- мінієм типу Ni3Al, NiAl та сплави на їх основі. Жаростійкість таких покриттів може забезпечи- ти температуру експлуатації виробів до 1200 °С. Захисні властивості утворює щільна оксидна плівка Al2O3. Для газотермічного нанесення алю- мінієвих покриттів розроблено ряд сплавів, зокре- ма ПН70Ю30, ПН85Ю15 та ін. Набагато менша температура оксидної взаємодії характерна для металідів систем Al–Ti (NiTi, Ni3Ti, NiTi2) і Ti–Ni та сплавів на їх основі. Найбільш високу якість покриттів отримують конденсаційно-вакуумним осадженням з парової фази за допомогою іонно- го або дугового розпилення компактних мішеней. Для газотермічного напилення, в основному плаз- мового, застосовують стандартні порошки дис- персністю 50–100 мкм [6]. Покриття безкисневих неметалевих сполук представляють собою загальний клас неорганіч- них неметалічних матеріалів. До них відносяться нітриди, карбіди, бориди, силіциди, сульфіди і т.п. Найбільше застосування для жаростійких покрит- тів отримали металоподібні силіциди перехідних металів. Висока стійкість до окиснення обумов- лена утворенням на поверхні покриття оксидних Матеріали для формування жаростійких покриттів Метали Cr, Al, Si Металеві сплави Fe–Ni–Cr, Ni–Cr–Ti, Cu–Cr–Al Оксиди ZrO2, Al2O3, SiO2, MeO Металеві сполуки Ni–Al, Ni3Al, NiTi Рис. 1. Групи неорганічних матеріалів для формування жаростійких покриттів 99 Формування наногетерогенних матеріалів з підвищеними показниками жаростійкості ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2022, issue 1-2(68-69) плівок, здатних до самозаліковування дефектів, викликаних умовами експлуатації. Жаростійкість силіцидних покриттів вища, ніж у розглянутих ра- ніше неорганічних матеріалів. Наприклад, покриття з дисиліциду молібдену MoSi2 витримують температуру до 1600 °С. Це до- зволяє здійснювати захист від високотемпературно- го окиснення тугоплавких металів (W, Мо, Та, Nb та ін.), графіту та вуглепластиків. Найбільш пошире- ним технологічним процесом є силіціювання – по- верхневе насичення матеріалу кремнієм з парової фази. З цією метою використовуються різні спосо- би: безпосереднє випарювання твердого порошко- вого кремнію; відновлення кремнію з хлорсиланів за реакцією: SiCl4 + 2Н2O = SiO2 + 4НСl; осаджу- вання парів кремнію концентрованими джерелами тепла в вакуумних камерах. У результаті взаємодії парів кремнію з матеріалом поверхні відбувається синтезування жаростійких силіцидів. Наряду з ви- щими силіцидами (MoSi2, WSi2, NbSi2 та ін.) мож- ливо утворення і низьких силіцидів за загальною схемою металів: MeSi2 > MeSi > Me2Si [8]. Широко застосовується поверхневе силіцію- вання графіту та інших вуглеподібних матеріа- лів. Пари кремнію, осідаючи в поверхнях графіту, створюють внутрішнє газонепроникне покриття з температурою експлуатації в газових окисних се- редовищах, що досягає 1750 °С і вище. Зовнішні силіцидні покриття можуть бути отримані конденсаційно-вакуумними методами нанесення та газотермічним порошковим напи- ленням. При використанні диборидів кремнію втрати одного з елементів приведуть до утворення низьких боридів. Жаростійкі поверхні з досить високою темпера- турою експлуатації виробів можуть бути отримані при нанесенні деяких карбідних покриттів типу КХП-30Н та подвійних карбідів хрому та титану КХТП-30Н. Випробування на жаростійкість по- казало високу ефективність напилених покриттів. Так, для КТН-35Н (карбід титану з нікелевою обо- лонкою – 35% Ni) після витримки при температурі 500 °С оксидний шар практично відсутній та істот- но зростає при 700 °С і особливо при 900 °С [9]. Нітриди мало придатні для жаростійких покрит- тів у зв’язку з їх термічною нестабільністю. Інтерес представляє нітрид кремнію Si3N4. Однак нанесення покриттів із цією сполукою пов’язано з великими труднощами через високу леткість азоту. По своїй природі оксиди і сплави на основі оксидів найбільш ефективні для створення жарос- тійких покриттів. Це відноситься до оксидів, що мають високотемпературну стабільність. Мало придатні оксиди, що схильні до сублімації або іс- тотної втрати кисню при нагріві. При створенні жаростійких поверхонь з оксидів, в основному, застосовують наступні схеми формування по- криттів: порошкову – газотермічними методами напилення; атомарну – конденсаційно-вакуумним осадженням; оплавленням попередньо закріпле- них порошкових композицій. Жаростійкі покриття з індивідуальних оксидів (TiO2, Аl2O3, ZrO2 та ін.) задовольняють тільки деяким вимогам, наприклад, температурою екс- плуатації або складом газового середовища. У зв’язку з цим при виборі оксидного жаростійко- го покриття необхідно орієнтуватися на складні оксидні сполуки або багатокомпонентні оксидні сплави. Для практичного використання в довід- кових джерелах [10] приводяться дані про фізи- ко-хімічні властивості індивідуальних оксидів і сполук з них, а також багаточисленних багатоком- понентних сплавів. Температура експлуатації 1000–1700 °С до- сягається при нанесенні жаростійких покриттів із чистих оксидів (ZrO2, Аl2O3, CaO, MgO, TiO2 тощо). Для цих цілей використовують газотерміч- не, в основному плазмове, напилення з порошко- вих оксидів. Основним недоліком, властивим цим покриттям, є підвищена пористість. Для видален- ня нещільностей, за якими на границі розділу діє активне газове середовище, призводять до збіль- шення товщини покриття до 300–500 мкм і біль- ше. При таких товщинах неможливо створити за- хисні поверхні з достатньою термостійкістю [11]. Кращі результати отримують, застосовуючи модифіковані оксиди або оксидні сполуки. На- приклад, діоксид цирконію модифікують невели- кими добавками оксиду Y або іншими оксидами. У системі Al2O3–TiO2 для газотермічного напи- лення застосовують сполуки Al2TiO5; у системі Al2O3–MgО – магнезіальну шпінель MgAl2O4; у системі А12O3–СаO – сполуки СаАl2O4 та ін. Для зменшення дефектів структури рекомендуєть- ся застосовувати проміжні шари різного складу. Такі жаростійкі покриття з оксидів наносять кон- денсаційно-вакуумним осадженням. Парова фаза створюється різними джерелами тепла. Найбільш ефективне електронно-променеве випаровування твердих мішеней. Втрата стехіометрії в оксидах компенсується наступним відпалом виробів із за- хисним покриттям [12]. Оксидні газотермічні покриття з добавка- ми металевої складової розглянуті в роботі [13]. Ефективні у використанні покриття утворені при нанесенні оксидних жаростійких покриттів газо- термічним напиленням за допомогою порошко- вих проволок з металевою оболонкою або гнуч- ких шнурів з органічною оболонкою. У нинішній час виробництво жаростійких оксидних покриттів зосереджено в технологічних процесах, які реалізують оплавлення порошкових 100 В. ЩЕПЕТОВ, С. КОВТУН, С. ХАРЧЕНКО, О. НАЗАРЕНКО ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2022, issue 1-2(68-69) композицій надзвичайно складного складу. За кор- доном широке розповсюдження здобули покриття із емалей. Розроблені десятки жаростійких ема- лей для високотемпературного захисту поверхонь виробів із сталей, хромонікелевих, титанових та інших сплавів. Більшість жаростійких емалей має силікатну основу SiO2 і багатокомпонентність за складом (ТiO2, В2O3, Аl2O3, Na2O, К2O, CaF та ін.), завдяки чому досягається висока температура розм’якшення покриття при високотемператур- ному нагріві. Склоподібні жаростійкі емалі за- безпечують температуру експлуатації в газових середовищах при 600 °С і вище. Склокристалічні ситалові сполуки відрізняються більш високою температурою розм’якшення і, відповідно, більш жаростійкі (на 200–400 °С) порівняно зі склопо- дібними емалями. Крім того, ситалові емалі мають кращу теплостійкість при змінних температурних умовах експлуатації. Ситалові покриття пред- ставляють собою кристалізовані силікатні емалі з великим вмістом (30% і більше) тонкодисперсної рівномірно розподіленої кристалічної фази. При нанесенні емалевих жаростійких покриттів від- сутні ці недоліки, які наявні при газотермічному напиленні. Зокрема, реалізується висока адге- зійна і когезійна міцність покриття, мінімальна кількість дефектів і менший рівень напруги. До недоліків емалевих покриттів відносяться високі температурні умови при їх виробництві і значно більш низька температура експлуатації. Нанесен- ню жаростійких покриттів з оксидних оплавлених композицій присвячено безліч публікацій [14]. У роботах [13–15] розглянуто отримання жа- ростійких захисних покриттів на карбоновміс- них матеріалах, які використовуються в якості конструкційних матеріалів. Покриття наносили методом вакуумного активованого насичення з використанням рідинної фази і процесу самопо- ширювального високотемпературного синтезу (СВС). Склад покриття визначається за допомо- гою термодинамічного аналізу та рентгенографії. Боросиліцидні покриття зменшують порис- тість карбоновмісних матеріалів, а також збільшу- ють їх жаро- та корозійну стійкість. Для створен- ня працездатних жаростійких покриттів на кар- боновмісних матеріалах застосовують метод ва- куумного дифузійного насичення і СВС-процесу. Покриття формується на поверхні карбоновміс- ного матеріалу (графіт АРВ, МПГ) за допомогою конденсації з газової фази. Сучасний вибір складових та розробка якіс- ного матеріалу для отримання наногетерогенних покриттів з підвищеними показниками жаростій- кості потребує попередніх досліджень та обґрун- тування асортименту компонентів для їх компози- ції, яка не повинна містити дефіцитних і дорогих елементів та відповідає їх оптимальній наявності в мінерально-сировинній базі України, крім того важливою умовою залишається урахування техні- ко-економічних факторів виробництва. Незважаючи на виключну роль, яку відіграють наногетерогенні покриття, до теперішнього часу наукові основи вибору їх компонентів і легування розроблені недостатньо. Більшість застосовува- них марок наногетерогенних покриттів було вста- новлено емпіричним шляхом і часто впроваджу- вались в практику після позитивних поодиноких досліджень, на відміну від результатів система- тично проведених науково-дослідницьких робіт. Критичний аналіз широко досліджених марок покриттів з позиції сучасного матеріалознавства по- казує, що багато з застосовуваних гетерогенних на- ноструктурних захисних покриттів не можуть бути визнані ні раціональними за складом, ні найкращими за властивостями. Із відомих груп матеріалів зі спе- ціальними фізичними і хімічними властивостями найменш вивчені наноструктурні наногетерогенні покриття, що пояснюється відсутністю строгої теорії і наявністю критеріїв, які обираються для її оцінки. У зв’язку з викладеним, проблема вибору раціональної композиції наногетерогенних покриттів з підвищени- ми показниками жаростійкості дуже складна. Успіхи інженерії матеріалів зокрема, триботех- нічного матеріалознавства, настільки значні, що є можливим, незважаючи на складність проблеми, намітити загальні принципи отримання раціо- нальних композицій наногетерогенних покриттів з підвищеними показниками жаростійкості, що і є метою даної роботи. 2. Матеріали та методи Для детонаційно-газового напилення жарос- тійких покриттів (Ni–Al–Ti–C–SiO2–Al2O3–B2O3) використовувались наногетерогенні порошкові матеріли. При їх отриманні в умовах високоенер- гетичного механохімічного синтезу реалізовува- лась методика додаткової обробки ультразвуком, з метою мінімізації налипання отриманих матері- алів на стінках барабану. Напилення досліджуваних покриттів проводи- ли відповідно до розробленої методики керування технологічними процесами напилення, реалізо- ваних за рахунок наявності декількох дозаторів. Товщина покриттів після обробки складала 0,30– 0,35 мм при Ra ≈ 0,63–0,32. Стійкість покриттів оцінювали при терті кіль- цевих зразків по торцевій схемі в умовах розпо- діленого контакту, швидкість ковзання складала 0,8 м/с. Діапазон навантажень, реалізованих при випробуваннях, обраний так, щоб максимально приблизити процеси фізико-хімічної механіки тертя до реальних умов фрикційного контакту. 101 Формування наногетерогенних матеріалів з підвищеними показниками жаростійкості ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2022, issue 1-2(68-69) Програма випробувань включає також порів- няння їх характеристик зносостійкості з характе- ристиками аналогічних покриттів, отриманими при тих же режимах випробувань. Для визначення показників жаростійкості ви- користана методика прискорених випробувань матеріалів з жаростійкими покриттями на повітрі в умовах термоциклічної повзучості. В Україні ця методика стандартизована [16]. Методика ре- алізована в лабораторній установці «Щелкунчик» [17]. Відмінна особливість установки полягає в нагріванні і охолодженні зразка фокусуванням променевої енергії в оптично замкнутій порож- нині з холодними дзеркальними стінками. Проме- нистий нагрів на відміну від методів нагріву без- посереднім пропусканням електричного струму через зразок і нагрівання струмами високої час- тоти (СВЧ) виключає дію електропластичного і магнітопластичного ефектів. 3. Результати та обговорення Структура матеріалу являє собою якісну харак- теристику взаєморозташування і взаємозв’язків його складових частин. При цьому, неорганічні матеріали покриттів є логічно упорядкованою системою взаємопов’язаних аксіоматичних до- ведень, які відображають суттєві співвідношення між структурою, складом, їх властивостями, та величиною внеску в підвищення якості їх експлу- атації і забезпечення високого рівня надійності, в умовах підвищених температур. Значний вплив на експлуатаційні характерис- тики покриттів має дисперсність, зольність, на- явність домішок та ін. Так, твердість, міцність, схильність до коагуляції і до утворення тріщин, інтенсивність дифузійних процесів і перетворен- ня в тверду фазу можуть бути різними не тільки для різних структурних складових, але й для од- накових композицій в залежності від розмірів зер- на. Чим дрібніше зерно, тим більшу площу займає зміцнена поверхня пограничних шарів і тим ви- щий повинен бути опір матеріалу. В якості основи гетерогенного покриття було обрано нікель (таблиця). При температурі плав- лення ≈1455 оС він утворює ряд твердих розчинів, для яких характерна поява практично всіх видів твердорозчинного зміцнення. Нікель знаходить широке застосування в сплавах з особливими властивостями, особливо в жаростійких, на яких не одне десятиліття тримається високий рівень авіаційної техніки. Підвищення жаростійкості за- хисного покриття забезпечується введенням до складу алюмінію і титану, утворюючих з нікелем і між собою тугоплавкі та стабільні зміцнюючи фази, що забезпечує покриттю необхідні експлу- атаційні властивості. Додавання карбону при взаємодії з титаном утворює стійкий і високотемпературний карбід. Таким чином, структура гетерогенного жарос- тійкого покриття складається із основи (γ-фази), що є складнолегованим твердим розчином на основі нікелю, і γ’-фази – твердого розчину на основі інтерметалідного сполучення типу Ni3Al. Основною зміцнюючою фазою в даному сплаві є γ’-фаза. Наявність у γ’-фази і γ-матриці (основи) сполучених кристалографічних реші- ток і близькість їх періодів, обумовлюють зна- чне високотемпературне зміцнення. Крім того, має місце утворення термодинамічних фаз типу Ni3(Al,Ti), NiAl, а також Ti3Al, TiAl, TiAl3. Та- кож структура гетерогенного покриття містить як зміцнюючу фазу карбід титану, що має висо- ку температуру плавлення (≈3257 оС) і початко- ву твердість (≈32 ГПа). Крім того, додано значний вміст склофази, у вигляді алюмосилікату скла (SiO2–Al2O3–B2O3), наявність якої забезпечує значне підвищення суцільності, безпористості матеріалу, сприяє покращенню міцності, твердості та корозійній стійкості, що в комплексі значно впливає на під- вищення показників жаростійкості. Необхідно зауважити, що склоутворюючі фази забезпечу- ють в процесі експлуатації утворення нових туго- плавких і хімічно стійких сполучень, наприклад, утворення муліту із Al2O3 і SiO2 (Al2SiO3) і висо- котемпературної складової – тиаліту (Al2TiO5). На рис. 2. представлені попередні досліджен- ня порівнянь кінетики окиснення підложки з нержавіючої сталі, при температурі 700 оС, без покриттів (крива 2) та при тих же умовах із запропонованим захисним наногетерогенним покриттям системи Ni–Al–Ti–C–SiO2–Al2O3– B2O (крива 1). Рис. 2. Кінетика окиснення нержавіючої сталі при температурі 700 оС без покриття (2), з по- криттям Ni–Al–Ti–C–SiO2–Al2O3–B2O (1) Залежність інтенсивності зношування від тем- ператури матеріалу пальникових пристроїв із за- хисними наногетерогенними покриттями у порів- 102 В. ЩЕПЕТОВ, С. КОВТУН, С. ХАРЧЕНКО, О. НАЗАРЕНКО ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2022, issue 1-2(68-69) нянні з широковідомими матеріалами на онові кар- біду вольфраму та карбідів представлені на рис. 3. Рис. 4 відповідає функціональній залежності інтенсивності зношування від швидкості ковзан- ня для випробуваних покриттів з наногетероген- ного матеріалу (крива 1) та міцних покриттів з дефіцитних матеріалів (криві 2, 3). Від отриманих результатів випробування зазначених покриттів можливо зробити наступні висновки: - стійкість до окиснення вище стійкості не- ржавіючої сталі більше ніж на порядок; - інтенсивність зношування не змінюється в усьому досліджуваному діапазоні температур і є суттєво нижчою у порівнянні з традиційно засто- совуваними зносостійкими матеріалами; - інтенсивність зношування практично не за- лежить від швидкості ковзання при підвищених навантаженнях (Р = 6 МПа) і вдвічі менша порів- няно із WC15. Таким чином, наногетерогенне покриття з підви- щеними параметрами жаростійкості найбільш ефек- тивні при такому компонентному складі % (мас.): 40 нікелю, 9 алюмінію, 26 титану, 3 карбону, 22 склофази. Отримання наногетерогенної структури по- криття відбувається в планетарному млині шля- хом механохімічного синтезу, основна фракція складає 60–90 нм. Створення наногетерогенних покриттів з підвищеними показниками жаростійкості ви- рішує актуальну проблему в галузі загальної енергетики, зокрема ремонт, відновлення та підвищення надійності температуро-наванта- жених вузлів енергетичного обладнання. 4. Висновки Встановлено, що існуючі жаростійкі покриття містять, головним чином, дорогі та дефіцитні скла- дові, які істотно впливають на загальну вартість об- ладнання. Серед сучасних жаростійких покриттів найбільш поширеними є покриття із неорганічних матеріалів, що утворюють щільні оксиди (оксидні плівки). Для формування таких покриттів застосо- вують газотермічні методи напилення; конденса- ційно-вакуумне осадження та оплавлення попере- дньо закріплених порошкових композицій. Однак, сформовані таким чином покриття мають, зокрема, значну пористість, що знижує їхні теплофізичні та експлуатаційні характеристики. Авторами запропо- новано композиції наногетерогенних покриттів з підвищеними показниками жаростійкості, в основі якого було обрано нікель. Показано, що найбільш ефективні наногетерогенні покриття при такому компонентному складі % (мас.): 40 нікелю, 9 алюмі- нію, 26 титану, 3 карбону, 22 склофази. Для форму- вання покриттів обґрунтовано застосування методу детонаційно-газового напилення, як найбільш ефек- тивного і технологічно простого. Результати до- сліджень експлуатаційних характеристик в умовах термодинамічного навантаження продемонстрували стійкість розроблених покриттів до окиснення вище стійкості нержавіючої сталі більше ніж на порядок, а інтенсивність зношування залишалася незмінною Таблиця. Компонентний склад пропонованого покриття № п/п Склад матеріалу, % (мас.) Ni Al Ti C SiO2–Al2O3–B2O3 1 36 10 30 4 20 2 40 9 26 3 22 3 46 8 20 2 24 Рис. 3. Залежність інтенсивності зношування від температури: 1 – Ni–Al–Ti–C–SiO2–Al2O3–B2O; 2 – SiC–B4C–CrSi–SiO2–Al2O3–B2O; 3 – WC15 (V = 1,0 м/с; Р = 2,5 МПа) Рис. 4. Залежність інтенсивності зношування від швидкості ковзання: 1 – Ni–Al–Ti–C–SiO2– Al2O3–B2O3; 2 – WC15; 3 – Ni–Cr–Al–B (T = 450 оС, Р = 6 МПа) 103 Формування наногетерогенних матеріалів з підвищеними показниками жаростійкості ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2022, issue 1-2(68-69) в усьому досліджуваному діапазоні температур і є суттєво нижчою порівняно з традиційно застосову- ваними зносостійкими матеріалами. Посилання 1. Pakseresht A.H. (Ed.). Production, Properties, and Applications of High Temperature Coatings. IGI Global. 2018, 577 р. https://doi.org/10.4018/978-1-5225-4194-3 2. Скороход В.В., Уварова І.В., Рагуля А.В. Фізи- ко-хімічна кінетика в наноструктурних системах. Київ: Академперіодика, 2001. 180 с. 3. Abbas I.; Wang Y.; Elahi H.; Siddiqui M.A.; Ullah,M.; Qayyum, F. (2020). Eff ect of MoSi2-Si3N4/SiC Multi-Lay- er Coating on the Oxidation Resistance of Carbon/Carbon Composites above 1770 K. Journal of Composites Sci- ence, 4, 86. https://doi.org/10.3390/jcs4030086 4. Yu-Lei Zhang, He-Jun Li, Xi-Yuan Yao, et al. Oxi- dation protection of C/SiC coated carbon/carbon com- posites with Si-Mo coating at high temperature. Corro- sion Science, 2011, Vol. 53, P. 2075––2079. 5. Jian-Feng, Bo Wang, He-Jun Li, et al. A MoSi2/SiC oxidation protective coating for carbon/carbon com- posites. Corrosion Science. 2011, Vol. 53, P. 834––839. 6. Babak V.P., Shchepetov V.V., Harchenko S.D. An- tifriction Nanocomposite Coatings that Contain Mag- nesium Carbide. J. Journal of Friction and Wear. 2019, 40(6), P. 593–598. https://doi.org/10.3103/ S1068366619060035 7. Babak V.P., Shchepetov, V.V., Nedaiborshch S.D. Wear resistance of nanocomposite coatings with dry lubricant under vacuum. Naukovyi Visnyk Natsionalno- ho Hirnychoho Universytetu. 2016. No. 1, P. 47―52. URL: nbuv.gov.ua/UJRN/Nvngu_2016_1_9 8. Ткаченко Л.А., Шаулов А.Ю., Берлин А.А. За- щитные жаропрочные покрытия углеродных мате- риалов. Неорганические материалы. 2012. Т. 48, № 3. С. 261––271. 9. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А. Жаростойкие и теплозащитные покрытия для лопаток турбины вы- сокого давления перспективных ГТД. Авиационные материалы и технологии. 2012. № 5. С. 60––70. 10. Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Гая- мов А.М., Матвеев П.В. Высокотемпературные жа- ростойкие покрытия и жаростойкие слои для те- плозащитных покрытий. Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 17––20. 11. Баньковская И.Б., Васильева И.А., Коловерт- нов Д.В. Процессы окисления композиции кремний-бор-борид циркония в интервале темпе- ратур 1000–1300 °С. Физика и химия стекла. 2012. Т. 38 (3). С. 409––416. 12. Agüero A., Muelas R., Pastor A., Osgerby S. Long exposure steam oxidation testing and mechanical prop- erties of slurry aluminide coatings for steam turbine components. Surface & Coatings Technology. 2005, No. 200, P. 1219––1224. 13. Борисов Ю.С., Борисова А.Л., Цымбалиста Т.В., Капорик Н.И., Васильковская М.А. Жаростойкие газотермические покрытия на основе интерметал- лида FeAlCr с добавкой CeO2. Автоматическая сварка. 2019. № 9. С. 31––39. 14. Agüero A., Muelas R., Gutierrez M., Van Vulpen R., Osgerby S., Banks J.P. Cyclic oxidation and mechan- ical behaviour of slurry aluminide coatings for steam turbine components. Surface & Coatings Technology. 2007, No. 201, P. 6253––6260. 15. Пугачева Н.Б. Современные тенденции разви- тия жаростойких покрытий на основе алюминидов железа. Diagnostics, Resource and Mechanics of mate- rials and structures. 2015. № 3. С. 51––82. 16. Strength calculation and testing. Methods of accel- erated test for thermocyclical creep – ДСТУ 2637–94 (Государственный стандарт Украины, Киев, 1994). 17. Ляшенко Б.А., Соловых Е.К., Мирненко В.И. и др. Оптимизация технологии нанесения покрытий по критериям прочности и износостойкости. Киев: ИПП имени Г.С. Писаренко НАН Украины, 2010, глава 3.2. С. 53––58. FORMATION OF NANOGETHEROGENIC MATERIALS WITH INCREASED CHARACTERISTICS OF HEAT RESISTANCE Vitalii Shchepetov, Dr. Sci. (Engin.), Professor, https://orcid.org/0000-0002-8352-8307 Svitlana Kovtun, Dr. Sci. (Engin.), Senior Researcher, https://orcid.org/0000-0002- 6596-3460 Serhii Kharchenko*, PhD (Engin.), https://orcid.org/0000-0001-9808-7607 Oleg Nazarenko, PhD (Engin.), https://orcid.org/0000-0003-1873-1971 Institute of General Energy of NAS of Ukraine, 172 Antonovycha Str., Kyiv, 03150, Ukraine; e-mail: info@ienergy.kiev.ua * Corresponding author: nanoavia@ukr.net Abstract. The work performed the researches, aimed at creating compositions - nanoheterogeneous materials with increased characteristics of heat resistance. A critical analysis of widely studied brands of coatings from the standpoint of modern materials science was conducted, at the result of what was shown that many of the applied heterogeneous nanostructured protective coatings can be recognized as neither 104 В. ЩЕПЕТОВ, С. КОВТУН, С. ХАРЧЕНКО, О. НАЗАРЕНКО ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2022, issue 1-2(68-69) References 1. Pakseresht, A.H. (Ed.). (2018). Production, Proper- ties, and Applications of High Temperature Coatings. IGI Global. 577 р. https://doi.org/10.4018/978-1-5225-4194-3 2. Skorokhod, V.V., Uvariva, I.V., Ragulya, A.V. (2001). Physicochemical kinetics in nanostructured systems. Kyiv: Akademperiodika, 180 p. [in Ukrainian]. 3. Abbas, I., Wang, Y., Elahi, H., Siddiqui, M.A., Ullah, M., & Qayyum, F. (2020). Eff ect of MoSi2-Si3N4/SiC Multi-Layer Coating on the Oxidation Resistance of Car- bon/Carbon Composites above 1770 K. Journal of Com- posites Science, 4, 86. https://doi.org/10.3390/jcs4030086 4. Yu-Lei Zhang, He-Jun Li, Xi-Yuan Yao, et al. (2011). Oxidation protection of C/SiC coated carbon/ carbon composites with Si-Mo coating at high tempera- ture. Corrosion Science, 53, 2075–2079. 5. Jian-Feng, Bo Wang, He-Jun Li, et al. (2011). A MoSi2/SiC oxidation protective coating for carbon/car- bon composites. Corrosion Science, 53, 834–839. 6. Babak, V.P., Shchepetov, V.V., & Harchenko, S.D. (2019). Antifriction Nanocomposite Coatings that Contain Magnesium Carbide. J. Journal of Friction and Wear, 40(6), 593–598. https://doi.org/10.3103/ S1068366619060035 7. Babak, V.P., Shchepetov, V.V., & Nedaiborshch, S.D. (2016). Wear resistance of nanocomposite coat- ings with dry lubricant under vacuum. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 1, 47–52. URL: nbuv.gov.ua/UJRN/Nvngu_2016_1_9 8. Tkachenko, L.A., Shaulov, A.Yu., & Berlin, A.A. (2012). Protective heat-resistant coatings of carbon materials. Inor- ganic materials, 48, No. 3, 261–271 [in Russian]. 9. Kablov, E.N., Mubojajian, S.A. (2012). Heat-resis- tant and heat-protective coatings for high-pressure tur- bine blades of promising gas turbine engines. Aviation materials and technologies, 5, 60–70 [in Russian]. 10. Mubojajian, S.A., Budinovsky, S.A., Gayam- ov, A.M., & Matveev, P.V. (2013). High-temperature heat-resistant coatings and heat-resistant layers for heat-protective coatings. Aviation materials and tech- nologies, 1, 17–20 [in Russian]. 11. Bankovskaya, I.B., Vasilieva, I.A., Kolovertnov, D.V. (2012). Oxidation processes of the silicon-bo- ron-zirconium composition in the temperature range 1000–1300 °С. Physics and chemistry of glass, 38 (3), 409–416 [in Russian]. 12. Agüero, A., Muelas, R., Pastor, A., & Osgerby, S. (2005). Long exposure steam oxidation testing and mechanical properties of slurry aluminide coatings for steam turbine components. Surface & Coatings Tech- nology, 200, 1219–1224. 13. Borisov, Y.S., Borisova, A.L., Tsymbalista, T.V., Kaporik, N.I., & Vasilkovskaya, M.A. (2019). Heat-re- sistant gas-thermal coatings based on FeAlCr interme- tallic with the addition of CeO2. Automatic welding, 9, 31–39 [in Russian]. 14. Agüero, A., Muelas, R., Gutierrez, M., Van Vulpen, R., Osgerby, S., & Banks, J.P. (2007). Cyclic oxidation and mechanical behaviour of slurry aluminide coatings for steam turbine components. Surface & Coatings Technology, 201, 6253–6260. 15. Pugacheva, N.B. (2015). Modern trends in the development of heat-resistant coatings based on iron aluminides. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 3, 51–82. 16. Strength calculation and testing. Methods of accel- erated test for thermocyclical creep – SSTU 2637-94 (State Standard of Ukraine, Kyiv, 1994). 17. Lyashenko, B.A., Solovykh, E.K., Mirnenko, V.I. et al. (2010). Optimization of coating technology ac- cording to the criteria of strength and wear resistance - Kyiv, IPP named after GS Pisarenko NAS of Ukraine, Chapter 3.2. P. 53–58. Надійшла до редколегії: 28.03.2022 rational in composition nor the best in properties. Of the known groups of materials with special physical and chemical properties, the least studied are nanostructured nanoheterogeneous coatings, due to the lack of a rigorous theory and the presence of criteria selected for its evaluation. Therefore, the aim of the work became a develop general principles for obtaining rational compositions of nanoheterogeneous coatings with increased characteristics of high heat resistance. Nickel was chosen as the basis for the heterogeneous coating. The results of the study of the protective nanoheterogeneous coating of the Ni–Al–Ti–C–SiO2–Al2O3–B2O system are presented. The proposed coatings diff er in that they have an order of magnitude higher resistance to oxidation compared to stainless steel. Wear intensity indicators remain virtually unchanged over the entire temperature range and are much lower than traditionally used wear-resistant materials. At the change of speed of sliding in the conditions of the increased loadings intensity of wearing remains practically invariable and is twice less in comparison with coverings of tungsten carbide. Keywords: heat-resistant coatings, alloy, oxidation resistance, wear intensity, heat resistance.
id systemreorg-article-559
institution System Research in Energy
keywords_txt_mv keywords
language Ukrainian
last_indexed 2026-07-19T01:18:06Z
publishDate 2022
publisher General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv systemreorg/17/823bfbef23ce92694e193651012e4217.pdf
spelling systemreorg-article-5592026-07-18T12:57:42Z Formation of nanogetherogenic materials with increased characteristics of heat resistance Формування наногетерогенних матеріалів з підвищеними показниками жаростійкості Shchepetov , Vitalii Kovtun , Svitlana Kharchenko , Serhii Nazarenko , Oleg heat-resistant coatings, alloy, oxidation resistance, wear intensity, heat resistance жаростійкі покриття, сплав, стійкість до окиснення, інтенсивність зношування, жаростійкість The work performed the researches, aimed at creating compositions - nanoheterogeneous materials with increased characteristics of heat resistance. A critical analysis of widely studied brands of coatings from the standpoint of modern materials science was conducted, at the result of what was shown that many of the applied heterogeneous nanostructured protective coatings can be recognized as neither rational in composition nor the best in properties. Of the known groups of materials with special physical and chemical properties, the least studied are nanostructured nanoheterogeneous coatings, due to the lack of a rigorous theory and the presence of criteria selected for its evaluation. Therefore, the aim of the work became a develop general principles for obtaining rational compositions of nanoheterogeneous coatings with increased characteristics of high heat resistance. Nickel was chosen as the basis for the heterogeneous coating. The results of the study of the protective nanoheterogeneous coating of the Ni–Al–Ti–C–SiO2–Al2O3–B2O system are presented. The proposed coatings differ in that they have an order of magnitude higher resistance to oxidation compared to stainless steel. Wear intensity indicators remain virtually unchanged over the entire temperature range and are much lower than traditionally used wear-resistant materials. At the change of speed of sliding in the conditions of the increased loadings intensity of wearing remains practically invariable and is twice less in comparison with coverings of tungsten carbide. У роботі виконані дослідження, направлені на створення композицій – наногетерогенних матеріалів з підвищеними показниками жаростійкості. Проведено критичний аналіз широко досліджених марок покриттів з позиції сучасного матеріалознавства, в результаті якого показано, що багато з застосовуваних гетерогенних наноструктурних захисних покриттів не можуть бути визнані ні раціональними за складом, ні найкращими за властивостями. Із відомих груп матеріалів зі спеціальними фізичними і хімічними властивостями найменш вивчені наноструктурні наногетерогенні покриття, що пояснюється відсутністю строгої теорії і наявністю критеріїв, які обираються для її оцінки. Тому метою роботи стало розроблення загальних принципів отримання раціональних композицій наногетерогенних покриттів з підвищеними показниками жаростійкості. В якості основи гетерогенного покриття було обрано нікель. Наведено результати дослідження захисного наногетерогенного покриття системи Ni–Al–Ti–C–SiO2–Al2O3–B2O. Запропоновані покриття відрізняються тим, що мають на порядок вищу стійкість до окислення порівняно з нержавіючою сталлю. Показники інтенсивності зношування залишаються практично незмінними у всьому діапазоні температур, та значно нижчі від традиційно застосовуваних зносостійких матеріалів. При зміні швидкості ковзання в умовах підвищених навантажень інтенсивність зношування залишається практично незмінною і вдвічі менша у порівнянні з покриттями карбіду вольфраму. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2022-05-28 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/559 10.15407/pge2022.01-02.097 System Research in Energy; No. 1-2 (68-69 (2022): The Problems of General Energy; 97-104 Системні дослідження в енергетиці; № 1-2 (68-69 (2022): Проблеми загальної енергетики; 97-104 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/559/491 Copyright (c) 2022 Vitalii Shchepetov , Svitlana Kovtun , Serhii Kharchenko , Oleg Nazarenko https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0
spellingShingle heat-resistant coatings
alloy
oxidation resistance
wear intensity
heat resistance
Shchepetov , Vitalii
Kovtun , Svitlana
Kharchenko , Serhii
Nazarenko , Oleg
Formation of nanogetherogenic materials with increased characteristics of heat resistance
title Formation of nanogetherogenic materials with increased characteristics of heat resistance
title_alt Формування наногетерогенних матеріалів з підвищеними показниками жаростійкості
title_full Formation of nanogetherogenic materials with increased characteristics of heat resistance
title_fullStr Formation of nanogetherogenic materials with increased characteristics of heat resistance
title_full_unstemmed Formation of nanogetherogenic materials with increased characteristics of heat resistance
title_short Formation of nanogetherogenic materials with increased characteristics of heat resistance
title_sort formation of nanogetherogenic materials with increased characteristics of heat resistance
topic heat-resistant coatings
alloy
oxidation resistance
wear intensity
heat resistance
topic_facet heat-resistant coatings
alloy
oxidation resistance
wear intensity
heat resistance
жаростійкі покриття
сплав
стійкість до окиснення
інтенсивність зношування
жаростійкість
url https://systemre.org/index.php/journal/article/view/559
work_keys_str_mv AT shchepetovvitalii formationofnanogetherogenicmaterialswithincreasedcharacteristicsofheatresistance
AT kovtunsvitlana formationofnanogetherogenicmaterialswithincreasedcharacteristicsofheatresistance
AT kharchenkoserhii formationofnanogetherogenicmaterialswithincreasedcharacteristicsofheatresistance
AT nazarenkooleg formationofnanogetherogenicmaterialswithincreasedcharacteristicsofheatresistance
AT shchepetovvitalii formuvannânanogeterogennihmateríalívzpídviŝenimipokaznikamižarostíjkostí
AT kovtunsvitlana formuvannânanogeterogennihmateríalívzpídviŝenimipokaznikamižarostíjkostí
AT kharchenkoserhii formuvannânanogeterogennihmateríalívzpídviŝenimipokaznikamižarostíjkostí
AT nazarenkooleg formuvannânanogeterogennihmateríalívzpídviŝenimipokaznikamižarostíjkostí