CC BY
2
https://doi.org/10.21122/1683-6065-2023-4-88-100 Поступила 0910.2023
УДК 621.762-03; 621.793 Received 0910.2023
ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ Al2O3-Al
И.В. РАФАЛЬСКИЙ, А. Д. РУЛЕНКОВ, О. Г. ДЕВОЙНО, Белорусский национальный технический университет, Республиканское инновационное унитарное предприятие «Научно-технологический парк БНТУ «Политехник», г. Минск, Беларусь, ул. Я. Коласа, 24. E-mail: l.pavel@park.bntu.by
В статье представлены результаты моделирования и анализа тепловых процессов при плазменном напылении композиционных покрытий на основе системы Al2O3-Al. Моделирование проводилось для композиционных частиц со сферической симметрией с учетом влияния фазовых переходов при плавлении и испарении разнородных материалов в системе «алюминий-оксид алюминия» и различных размеров частиц на основе математической модели нестационарной теплопроводности с учетом внутренних источников теплоты при фазовых переходах. Приведены результаты исследований микроструктуры композиционных покрытий после плазменного напыления порошков на основе системы Al2O3-Al, синтезированных при металлургической обработке алюмоматричных кварцсодержащих композиций.
Ключевые слова. Плазменное напыление, композиционные покрытия, система Al2O3-Al, тепловые процессы, моделирование, структура.
Для цитирования. Рафальский, И.В. Плазменное напыление композиционных покрытий на основе системы Al2O3-Al / И.В. Рафальский, А. Д. Руленков, О.Г. Девойно //Литье и металлургия. 2023. № 4. С. 88-100. https://doi. org/10.21122/1683-6065-2023-4-88-100.
PLASMA SPRAYING OF Al2O3-Al COMPOSITE COATINGS
I. V. RAFALSKI, A. D. RULENKOV, O. G. DEVOINO, Belarusian National Technical University, Science and Technology Park of BNTU "Polytechnic", Minsk, Belarus, 24, Kolasa str. Е-mail: l.pavel@park.bntu.by
The article presents the results of modeling and analysis of thermal processes during plasma spraying of Al2O3-Al composite coatings. Modeling was carried out for composite particles with spherical symmetry, taking into account the influence ofphase transitions during the melting and evaporation of dissimilar materials in the aluminum-aluminum oxide system and various particle sizes based on a mathematical model of non-stationary thermal conductivity, taking into account internal heat sources during phase transitions. The results of studies of the microstructure of composite coatings after plasma spraying of Al2O3-Al based powders, synthesized during metallurgical processing of aluminum matrix quartz-containing compositions, are presented.
Keywords. Plasma spraying, composite coatings, Al2O3-Al system, thermal processes, modeling, structure.
For citation. Rafalski I. V., Rulenkov A. D., Devoino O. G. Plasma spraying of Al2O3-Al composite coatings. Foundry production and metallurgy, 2023, no. 4, pp. 88-100. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2023-4-88-100.
Введение
Применение защитных покрытий на поверхности деталей машин перспективно и экономически целесообразно как при эксплуатации в условиях действия агрессивных сред и высоких температур, так и в тех случаях, когда определяющим ресурс работы детали является величина износа.
Процессы плазменного напыления успешно применяются для упрочнения, восстановления и ремонта изделий ответственного назначения во многих отраслях промышленности, в том числе машиностроении, энергетике, строительстве, нефтегазопереработке, металлургии, электротехнике и др. В качестве материалов для напыления широко используются дисперсные (порошковые) частицы оксидной керамики, в частности, оксида алюминия AI2O3, обладающего высокой твердостью, огнеупорностью и химической стойкостью к агрессивным средам. Однако покрытия, полученные в результате плазменного напыления порошков на основе AI2O3, во многих случаях склонны к термической усталости и расслоению под механическими нагрузками из-за присущей им хрупкости и микроструктурных дефектов [1]. В связи с этим активно проводятся исследования по улучшению структуры, физико-механических и эксплуатационных свойств покрытий на основе оксидной керамики, в том числе путем добавления металлических фаз алюминия в керамическую матрицу [1-3].
Целью настоящей работы являлось исследование тепловых процессов при плазменном напылении композиционных покрытий на основе системы А12О3-А1, а также структуры композиционных покрытий, полученных методом плазменного напыления порошковых материалов системы А^Оз-А1, синтезированных при металлургической обработке алюмоматричных кварцсодержащих композиций.
Методика анализа тепловых процессов при плазменном напылении композиционных покрытий на основе системы А12О3-А1
Анализ тепловых процессов при плазменном напылении композиционных покрытий на основе системы А12О3-А1 проводили с использованием результатов численного моделирования процесса нагрева частиц со сферической симметрией с учетом влияния фазовых переходов при плавлении и испарении разнородных материалов в системе «алюминий-оксид алюминия» и различных размеров частиц на основе математической модели нестационарной теплопроводности с учетом внутренних источников теплоты при фазовых переходах:
+ £ рЛ.. ^ +£ рк1к ^ = _1 А^г2 —1,0 < г < х(0, t > 0, дt Нк *к дt £1 Нк рк а г2 дг у дг Г у'
t = 0:Т(г) = Т0, 0 < г < R,
г = 0: — = 0; t > 0, дг
(1)
г = R : Т = ТрЬ (х); t > 0,
где Т - температура, К; t - время, с; X - теплопроводность частицы, Вт/(мК); С - удельная теплоемкость частицы, Дж/(кгК); р - плотность композиционной частицы, кг/м3; т - общее количество химических соединений в составе композиционной частицы; рк - плотность к-го компонента (химического соединения) композиционной частицы, кг/м3; Ь^ - удельная теплота плавления к-го компонента композиционной частицы, Дж/кг; /к - функция объемной доли плавящейся фазы к-го компонента композиционной частицы, о.е.; Ьрк - удельная теплота испарения к-го компонента композиционной частицы, Дж/кг;/рк -функция объемной доли испаряющейся фазы к-го компонента композиционной частицы, о.е.; Т0 - начальная температура частицы, К; ТрЬ - температура плазмы, К; г - расстояние от расчетной точки до центра композиционной частицы, м; R - радиус композиционной частицы, м.
Представленную модель численно решали методом конечных разностей с использованием явной разностной схемы на равномерной расчетной сетке:
Пти = {г = И / = 0^, ^ = ут, у = 0^}, (2)
где I, у - индексы при расчетных узлах, принимающие целочисленные значения от нуля до Кц и Кт соответственно; Кц и Кт - параметры, определяющие число расчетных узлов соответственно для координаты г и времени ^ И, т - шаг изменения параметров г и t соответственно.
Вычисления проводили в предположении равномерного (линейного) характера процессов плавления и испарения компонентов композиционной частицы (алюминия и оксида алюминия), не взаимодействующих химически между собой, при фазовых переходах. Функции объемной доли плавящейся и испарившейся фаз к-го компонента композиционной частицы определяли для интервалов температур (Т^ Т2) из соотношения
д/8 дТ 1 дТ
а dт а Т2 - Т1 дt
(3)
Расчет температуры проводили на основе численного решения дифференциального уравнения (1) после аппроксимации частных производных конечными разностями с учетом влияния температуры на удельную теплоемкость, теплопроводность и плотность химических соединений, входящих в состав композиционной частицы (для алюминия с учетом данных работы [4]):
ту+1 = ТУ +-
1 т
[е(Т/ )р(Ту) +ЕФк (Т7) +ЕФк (Ту)]
к=1 к=1
Ту — Ту Ту — Ту ^
1 у ъ-2 ' +1 ' 1 у V2 ' '—1 Лг +1/2 г+1/2 ц '—1/2 г—1/2 ц
г 2 И
/ = 1,...,Ки;у >0,
X
Ф, T ) .0' T < 'Sk « T > 'Lk,
WPk T )Lsk/(Tbk - Tsk ), Tsk < T < TLk, (4)
9k T ) = ■
0, Ti < Tpik, Ti > Tp2k,
nkpk (Ti )Lpk /(Tp2k Tplk ), Tplk < Ti < Tp2k,
m
с(Т]) = I пкск Т), р(Т7) = £ Пк рк Т), Х(Т/) = £ пк Лк Т), к_1 к=1 к=1
л у +У л у +Ц-1 г _ г + г+1 г _ г-1+г
г+1/2 _ 2 ' г-1/2 _ 2 ' Г+1/2 _ 2 ' Г-И2~ ^ '
где Ск (Ту ), Рк (ТУ ), Л к (Ту )- удельная теплоемкость, ^^ ; плотность, кг/м3; теплопроводность, Вт ,
кг • К м • К
к-го компонента частицы при температуре Т соответственно; Тзь Тьь Тр1Ь Тр2к - температуры начала
и окончания фазовых переходов (плавления и испарения) к-го компонента, К; Пк - концентрация к-го
компонента в композиционной частице, о.е.
Функцию температуры плазмы ТрЬ(х) в граничном условии (1) определяли с использованием данных
работы [5] при условии начальной температуры плазмы 12 000 К на расстоянии 0,1 м от плазмотрона
(Ттах) и скорости потока 1000 м/с из соотношения
ТрЬ (X) _ 0,01ТтаХX"2. (5)
Анализ процессов нагрева и структурообразования композиционных покрытий при напылении дисперсных частиц системы Л^Оз-Л!
На рис. 1-3 представлены результаты численного решения условий нагрева композиционной частицы системы «алюминий-оксид алюминия» при плазменном напылении с учетом различного содержания алюминия и оксида алюминия.
Анализ полученных результатов численного моделирования процесса нагрева композиционной частицы системы А12О3-А1 при плазменном напылении на стальную подложку показал, что частицы со средним диаметром до 35 мкм в плазменной струе полностью испарятся (рис. 1) вне зависимости от состава композиционной частицы.
При диаметре частиц свыше 55 мкм большое влияние на температурный профиль композиционной частицы оказывает соотношение фаз алюминия и оксида алюминия (рис. 2, 3). При этом с увеличением содержания алюминия в составе существенно уменьшается размер композиционной частицы в плазменной струе (алюминий за время от 2,5 •Ю-4 до 3-10-4 с в струе плазмы успевает полностью испариться).
Частицы диаметром 75 мкм с содержанием 100 % оксида алюминия полностью не расплавляются в плазменной струе (при условии начальной температуры плазмы 12 000 К), однако при содержании металлического алюминия от 25 до 50 % композиционная частица успевает расплавиться за 3,5-Ю-4 -4,5-10-4 с. При этом происходит частичное испарение алюминия, а при содержании алюминия 100 % частица диаметром 75 мкм испаряется полностью (рис. 3, б).
Таким образом, результаты численного анализа условий нагрева композиционной частицы системы А12О3-А1 при плазменном напылении на подложку с учетом различного содержания алюминия и оксида алюминия показали, что оптимальным размером частиц являются значения в интервале от 55 до 75 мкм, а увеличение количества алюминия в составе порошка свыше 75 % нецелесообразно.
Результаты сканирующей электронной микроскопии поверхности излома композиционных покрытий после плазменного напыления порошков на основе системы А^Оз-А1, синтезированных при металлургической обработке алюмоматричных кварцсодержащих композиций [6], приведены на рис. 4.
Исходя из анализа результатов, установлено, что композиционное покрытие представляет собой многокомпонентную металлокерамическую структуру с микронными, субмикронными и наноразмер-ными включениями, преимущественно состоящими из алюминия и оксида алюминия, с неравномерно расположенными примесными соединениями, включающими преимущественно элементы кремния, меди и магния.
а б
Рис. 1. Температура в центре (а) и по сечению (б, для времени 510-4 с) сферической композиционной частицы системы А12О3-А1 диаметром 35 мкм при плазменном напылении с учетом различного содержания алюминия и оксида алюминия:
1 - 0 %; 2 - 25; 3-50; 4 - 75; 5 - 100 % А1
аб Рис. 2. Температура в центре (а) и по сечению (б, для времени 510-4 с) сферической композиционной частицы системы А12О3-А1 диаметром 55 мкм при плазменном напылении с учетом различного содержания алюминия и оксида алюминия:
1 - 0 %; 2 - 25; 3-50; 4 - 75; 5 - 100 % А1
аб Рис. 3. Температура в центре (а) и по сечению (б, для времени 5 10-4 с) сферической композиционной частицы системы А12О3-А1 диаметром 75 мкм при плазменном напылении с учетом различного содержания алюминия и оксида алюминия:
1 - 0; 2 - 25 %; 3-50; 4 - 75; 5 - 100 % А1
Ml flit*
ft
SED 20.0 kv WD 11.7 mm Std.-PC 53.0 HighVac. 0x7,000 SID 2544 Nov. 23 2022
Рис.4. Топография поверхности излома покрытия, полученного плазменным напылением порошка на основе системы Л12О3-Л1, синтезированного при металлургической обработке алюмоматричных кварцсодержащих композиций при различных увеличениях: а - х 65; б - х 1600; в - х 7000
Полученные результаты могут быть использованы при разработке составов и технологических процессов плазменного напыления порошковых материалов на основе системы AI2O3-AI с целью получения защитных композиционных покрытий на поверхности деталей машин и инструментов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Microstructure and mechanical properties of Al2O3-Al composite coatings deposited by plasma spraying / Z. Yin [et al.] // Applied Surface Science. - 2008. - Vol. 254. - Р. 1636-1643.
2. Studies on composite coatings prepared by plasma spraying Fe2O3-Al self-reaction composite powders / Y. C. Dong [et al.] // Surface and Coatings Technology. - 2004. - Vol. 179. - Iss. 2-3. - Р. 223-228.
3. Microstructure and mechanical properties of plasma sprayed nanostructured TiO2-Al composite coatings / S. O. Chwa [et al.] // Surface and Coatings Technology. - 2005. - Vol. 194. - Iss. 2-3. - Р. 215-224.
4. Thermophysical Properties of Liquid Aluminum / M. Leitner [et al.] // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2017. -Vol. 48A. - P. 3036-3045.
5. Simulation of the Particle Melting Degree in Air Plasma Spraying / K. Bobzin [et al.] // Journal of Physics: Conf. Series 825. -2017 (012002). - 12 p.
6. Процессы переработки солевых шлаков алюминиевого производства для получения порошкового материала с высоким содержанием алюмооксидных фаз / Б. М. Немененок [и др.] // Литье и металлургия. - 2022. - № 4. - С. 88-96.
б
а
s
REFERENCES
1. Yin Z., Tao S., Zhou X. [et al.] Microstructure and mechanical properties of Al2O3-Al composite coatings deposited by plasma spraying. Applied Surface Science, 2008, vol. 254, pp. 1636-1643.
2. Dong Y. C., Yan D. R., He J. N. [et al.] Studies on composite coatings prepared by plasma spraying Fe2O3-Al self-reaction composite powders. Surface and Coatings Technology, 2004, vol. 179, iss. 2-3, pp. 223-228.
3. Chwa S. O., Klein D., Toma F. L. [et al.] Microstructure and mechanical properties of plasma sprayed nanostructured TiO2-Al composite coatings. Surface and Coatings Technology, 2005, vol. 194, Issues 2-3, pp. 215-224.
4. Leitner M., Leitner T., Schmon A. [et al.] Thermophysical Properties of Liquid Aluminum. Metallurgical and Materials Transactions A, 2017, vol. 48A, pp. 3036-3045.
5. Bobzin K., Ote M., Knoch M. A. [et al.] Simulation of the Particle Melting Degree in Air Plasma Spraying. Journal of Physics: Conf Series 825, 2017 (012002), 12 p.
6. Nemenenok B. M., Ratalski I. V., Lushchik P. E. [et al.] Processy pererabotki solevyh shlakov aljuminievogo proizvodstva dlja poluchenija poroshkovogo materiala s vysokom soderzhaniem aljumooksidnyh faz [Processes of salt slag recycling in aluminum production to obtain powder material with a high content of aluminum oxide phases]. Lit'e i metallurgija = Foundry production and metallurgy, 2022, no. 4, pp. 88-96.
