Автоматичне зварювання, 2024, №01



2024 №01 (05)

DOI of Article 10.37434/as2024.01.06

2024 №01 (07)

---

Журнал «Автоматичне зварювання», № 1, 2024, с. 51-59

Газотермічне напилення покриттів, що містять мах-фазу Cr₂AlC (Огляд)

Н.В. Вігілянська¹, Д.В. Філоненко¹, А.О. Ющенко¹, Ц. Сендеровскі², Ж.-К. Грівель³

¹ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України. 03150, м. Київ, вул. Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
²Варшавський політехнічний університет. 00-661, м. Варшава, Польща, пл. Політехніки, 1
³Данський технічний університет. Anker Engelunds Vej, Building 301, Конгенс-Люнгбю, Данія, 2800.

Наведено огляд наукових робіт, присвячених формуванню покриттів, що містять МАХ-фазу Cr2AlC, в умовах процесів газотермічного напилення. Основними методами одержання покриттів, що містять МАХ-фазу Cr2AlC, є плазмове, високошвидкісне газополуменеве та холодне газодинамічне напилення. В якості матеріалів для напилення використовують як порошки з синтезованою МАХ-фазою Cr2AlC, одержаних методом спікання, так і порошки механічної суміші вихідних компонентів. Для збереження МАХ-фази в порошку та запобігання окисленню частинок в процесі напилення, використовують високошвидкісні методи напилення (високошвидкісне плазмове, високошвидкісне газополуменеве та холодне газодинамічне). Швидкість польоту частинок при напиленні цими методами складає 500…900 м/с, тому в цих випадках формуються покриття, фазовий склад яких відповідає фазовому складу порошків, які напилюються, та вміст фази Cr2AlC в таких покриттях складає 79…98 мас. %. У випадку використання механічної суміші компонентів для протікання синтезу МАХ-фази в процесі напилення використовують плазмовий метод, внаслідок чого формуються покриття з вмістом МАХ-фази до 42 мас. %. Показані дослідження фазових перетворень в частинках порошку при напиленні, механізми розкладання та/або утворення МАХ-фази, впливу параметрів напилення на структуру та властивості покриттів. Наведено перспективність подальшого практичного використання газотермічних покриттів, що містять МАХ-фазу Cr2AlC, яка головним чином полягає у їх використанні при підвищених температурах, зокрема, в конструкціях теплозахисних покриттів. Бібліогр. 39, табл. 5, рис. 8.
Ключові слова: MAX-фаза Cr2AlC, газотермічні покриття, мікроструктура, механічні властивості, теплозахисні властивості


Надійшла до редакції 16.11.2023
Отримано у переглянутому вигляді 23.11.2023
Прийнято 14.12.2023

Список літератури

1. Sokol, M., Natu, V., Kota, S., Barsoum, M.W. (2019) On the chemical diversity of the MAX phases. Trends in Chemistry, 1(2), 210–223. Doi: 10.1016/j.trechm.2019.02.016.
2. Gonzalez‐Julian, J. (2021). Processing of MAX phases: From synthesis to applications. Journal of the American Ceramic Society, 104(2), 659–690. Doi: 10.1111/jace.17544.
. Lin, Z.J., Li, M.S., Wang, J.Y., Zhou, Y.C. (2007) High-temperature oxidation and hot corrosion of Cr2AlC. Acta Materialia, 55(18), 6182–6191. Doi: 10.1016/j.actamat. 2007.07.024.
4. Barsoum, M.W., Radovic, M. (2011) Elastic and mechanical properties of the MAX phases. Annual review of materials research, 41, 195–227. Doi: 10.1146/annurev-matsci-062910-100448.
5. Tian, W., Wang, P., Zhang, G. et al. (2006) Synthesis and thermal and electrical properties of bulk Cr2AlC. Scripta Materialia, 54(5), 841–846. Doi:10.1016/j.scriptamat. 2005.11.009.
. Tian, W.B., Wang, P.L., Zhang, G.J. et al. (2007) Mechanical properties of Cr2AlC ceramics. Journal of the American Ceramic Society, 90(5), 1663–1666. Doi: 10.1111/j.1551-2916.2007.01634.x.
7. Li, S.B., Yu, W B., Zhai, H.X. et al. (2011) Mechanical properties of low temperature synthesized dense and fine-grained Cr2AlC ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 31(1-2), 217–224. Doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2010.08.014.
8. Tian, W., Wang, P., Zhang, G. et al. (2007) Effect of composition and processing on phase assembly and mechanical property of Cr2AlC ceramics. Materials Science and Engineering: A, 454, 132–138. Doi: 10.1016/j.msea.2006.11.032.
9. Ying, G., He, X., Li, M. et al. (2011) Synthesis and mechanical properties of high-purity Cr2AlC ceramic. Materials Science and Engineering: A, 528(6), 2635–2640. Doi: 10.1016/j.msea.2010.12.039.
10. Manoun, B., Gulve, R.P., Saxena, S.K. et al. (2006) Compression behavior of M2AlC (M = Ti, V, Cr, Nb, and Ta) phases to above 50 GPa. Physical Review B, 73(2), 024110. Doi: 10.1103/physrevb.73.024110.
11. Tian, W., Sun, Z., Du, Y., Hashimoto, H. (2009) Mechanical properties of pulse discharge sintered Cr2AlC at 25–1000 ºC. Materials Letters, 63(8), 670–672. Doi: 10.1016/j.matlet. 2008.12.024.
12. Panigrahi, B.B., Chu, M.C., Kim, Y.I. et al. (2010) Reaction synthesis and pressureless sintering of Cr2AlC powder. Journal of the American Ceramic Society, 93(6), 1530–1533. Doi: 10.1111/j.1551-2916.2009.03560.x.
13. Xiao, L.O., Li, S.B., Song, G., Sloof, W.G. (2011) Synthesis and thermal stability of Cr2AlC. Journal of the European Ceramic Society, 31(8), 1497–1502. Doi: 10.1016/j.jeurceramsoc. 2011.01.009.
14. Tian, W., Sun, Z., Du, Y., Hashimoto, H. (2008) Synthesis reactions of Cr2AlC from Cr–Al4C3–C by pulse discharge sintering. Materials Letters, 62(23), 3852–3855. Doi: 10.1016/j. matlet.2008.05.001.
15. Yeh, C.L., Kuo, C.W. (2011) Effects of Al and Al4C3 contents on combustion synthesis of Cr2AlC from Cr2O3–Al–Al4C3 powder compacts. Journal of alloys and compounds, 509(3), 651–655. Doi: 10.1016/j.jallcom.2010.09.169.
16. Duan, X., Shen, L., Jia, D. et al. (2015) Synthesis of high-purity, isotropic or textured Cr2AlC bulk ceramics by spark plasma sintering of pressure-less sintered powders. Journal of the European Ceramic Society, 35(5), 1393–1400. Doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2014.11.008.
17. Yeh, C.L., Yang, W.J. (2013) Formation of MAX solid solutions (Ti, V)2AlC and (Cr, V)2AlC with Al2O3 addition by SHS involving aluminothermic reduction. Ceramics International, 39(7), 7537–7544. Doi: 10.1016/j.ceramint.2013.03.005.
18. Yembadi, R., Panigrahi, B.B. (2017) Thermodynamic Assessments and mechanically activated synthesis of ultrafine Cr2AlC MAX phase powders. Advanced Powder Technology, 28(3), 732–739. Doi: 10.1016/j.apt.2016.11.020.
19. Li, J.J., Qian, Y.H., Niu, D. et al. (2012) Phase formation and microstructure evolution of arc ion deposited Cr2AlC coating after heat treatment. Applied surface science, 263, 457–464. Doi: 10.1016/j.apsusc.2012.09.082.
20. Mockute, A., Persson, P.O., Magnus, F. et al. (2014) Synthesis and characterization of arc deposited magnetic (Cr, Mn)2AlC MAX phase films. Physica status solidi (RRL)–Rapid Research Letters, 8(5), 420–423. Doi:10.1002/pssr.201409087.
21. Wang, Z., Ma, G., Liu, L. et al. (2020) High-performance Cr2AlC MAX phase coatings: Oxidation mechanisms in the 900–1100 ºC temperature range. Corrosion Science, 167, 108492. Doi: 10.1016/j.corsci.2020.108492.
22. Stevens, M., Pazniak, H., Jemiola, A. et al. (2021) Pulsed laser deposition of epitaxial Cr2AlC MAX phase thin films on MgO (111) and Al2O3 (0001). Materials Research Letters, 9(8), 343–349. Doi: 10.1080/21663831.2021.1920510.
23. Lange, C., Hopfeld, M., Wilke, M. et al. (2012) Pulsed laser deposition from a pre‐synthesized Cr2AlC MAX phase target with and without ion‐beam assistance. Physica status solidi (A), 209(3), 545–552. Doi: 10.1002/pssa.201127537.
24. Li, Y., Zhao, G., Qian, Y. et al. (2018) Deposition of phasepure Cr2AlC coating by DC magnetron sputtering and post annealing using Cr–Al–C targets with controlled elemental composition but different phase compositions. Journal of materials science & technology, 34(3), 466–471. Doi: 10.1016/j.jmst.2017.01.029.
25. Qureshi, M.W., Ma, X., Tang, G. et al. (2021) Fabrication and Mechanical Properties of Cr2AlC MAX Phase Coatings on TiBw/Ti6Al4V Composite Prepared by HiPIMS. Materials, 14(4), 826. Doi.org/10.3390/ma14040826.
26. Naveed, M., Obrosov, A., Zak, A. et al. (2016) Sputtering power effects on growth and mechanical properties of Cr2AlC MAX phase coatings. Metals, 6(11), 265. Doi: 10.3390/ met6110265.
27. Liu, J., Zuo, X., Wang, Z. et al. (2018) Fabrication and mechanical properties of high purity of Cr2AlC coatings by adjustable Al contents. Journal of Alloys and Compounds, 753, 11–17. Doi: 10.1016/j.jallcom.2018.04.100.
28. Gonzalez‐Julian, J., Mauer, G., Sebold, D. et al. (2020) Cr2AlC MAX phase as bond coat for thermal barrier coatings: Processing, testing under thermal gradient loading, and future challenges. Journal of the American Ceramic Society, 103(4), 2362–2375. Doi:10.1111/jace.16935.
29. Zhang, F., Yan, S., Li, C. et al. (2019) Synthesis and characterization of MAX phase Cr2AlC based composite coatings by plasma spraying and post annealing. Journal of the European Ceramic Society, 39(16), 5132–5139. Doi:10.1016/j. jeurceramsoc.2019.08.039.
30. Zhang, F., Yu, G., Yan, S. et al. (2023) Characterization and reaction mechanism of in-situ micro-laminated Cr2AlC coatings by plasma spraying Cr3C2/Al/Cr powder mixtures. Surface and Coatings Technology, 456, 129271. Doi: 10.1016/j. surfcoat.2023.129271.
31. Davis, D., Srivastava, M., Malathi, M. et al. (2018) Effect of Cr2AlC MAX phase addition on strengthening of Ni–Mo–Al alloy coating on piston ring: Tribological and twist-fatigue life assessment. Applied Surface Science, 449, 295–303. Doi: 10.1016/j.apsusc.2018.01.146.
32. Davis, D., Singh, S., Chakradhar, R.P.S., Srivastava, M. (2020). Tribo–Mechanical Properties of HVOF-Sprayed NiMoAl–Cr2AlC Composite Coatings. Journal of Thermal Spray Technology, 29, 1763-1783. Doi: 10.1007/s11666-020-01069-8.
33. Chen, Y., Chu, M., Wang, L. et al. (2012) Microstructure and performance of Cr(2)AlC coatings deposited by HVOF spraying. Chinese Journal of Rare Metals, 36(4), 568–573. 10.3969/j.issn.0258-7076.2012.04.011.
34. Elsenberg, A., Busato, M., Gärtner, F. et al. (2021) Influence of MAX-phase deformability on coating formation by cold spraying. Journal of Thermal Spray Technology, 30, 617–642. Doi: 10.1007/s11666-020-01110-w.
35. Go, T., Sohn, Y.J., Mauer, G. et al. (2019) Cold spray deposition of Cr2AlC MAX phase for coatings and bond-coat layers. Journal of the European Ceramic Society, 39(4), 860–867. Doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.11.035.
36. Zhang, Z., Lim, S.H., Chai, J. et al. (2017) Plasma spray of Ti2AlC MAX phase powders: Effects of process parameters on coatings’ properties. Surface and Coatings Technology, 325, 429–436. Doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.07.006.
37. Zhang, Z., Lai, D.M.Y., Lim, S.H. et al. (2018) Isothermal oxidation of the Ti2AlC MAX phase coatings deposited by kerosene-fuelled HVOF spray. Corrosion Science, 138, 266–274. Doi.org/10.1016/j.corsci.2018.04.022.
38. Gutzmann, H., Gärtner, F., Höche, D. et al. (2013) Cold spraying of Ti2AlC MAX-phase coatings. Journal of thermal spray technology, 22, 406–412. Doi: 10.1007/s11666-012-9843-1.
39. Rajkumar, Y., Rahul, B.M., Ananth Akash, P., Panigrahi, B.B. (2017) Nonisothermal sintering of Cr2AlC powder. International Journal of Applied Ceramic Technology, 14(1), 63–67. Doi.org/10.1111/ijac.12617.

---

Реклама в цьому номері:

---