ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Для получения электроизоляционных покрытий из оксидной керамики широко используются различные методы газотермического напыления, такие как газопламенное, плазменное, HVOF, детонационное и др. Важными, но пока до конца не изученными являются вопросы о природе электропроводности газотермических, в том числе. детонационных, покрытий, а также о влиянии состава используемой детонирующей смеси на их электроизоляционные свойства. Экспериментально обнаружено, что электропроводность алюмооксидных покрытий зависит не только от технологического режима их нанесения и структуры, но и от влажности и температуры окружающей атмосферы. Однако физической модели, количественно описывающей механизм электропроводности с учетом этих факторов, пока не предложено, поэтому задача теоретического объяснения имеющихся экспериментальных данных является актуальной. Цель работы заключалась в экспериментальном изучении электроизоляционных свойств алюмооксидных покрытий, полученных детонационным напылением, в определении влияния состава детонирующей смеси на их электропроводность, а также в построении физической модели, позволяющей количественно оценивать удельное объемное сопротивление покрытий. В работе исследованы детонационные покрытия, полученные на детонационной установке CCDS2000 из порошка корунда марки М40 Super с использованием ацетиленокислородных смесей с различным содержанием компонентов.  Методы исследований включали измерения пористости, удельного электрического сопротивления и диэлектрической прочности полученных покрытий. Полученная информация использовалась для построения модели проводимости детонационных покрытий с учетом дефектности структуры. Результаты и их обсуждение. Различия в свойствах покрытий, полученных с применением ацетиленокислородных детонирующих смесей, в широком диапазоне молярных соотношений кислорода к топливу (от 1,0 до 5,0) не обнаружено. Высказана гипотеза о том, что проводимость покрытий обусловлена наличием дефектов – микроканалов, заполненных адсорбированной водой. Удельное сопротивление покрытий составляет (0,3…1,3)·10¹⁰ Ом·см, условная диэлектрическая прочность 5…6 кВ для толщины 240…300 мкм. Измеряемая в данной работе диэлектрическая прочность называется условной, поскольку до пробоя в обычном понимании, когда значения пробойного тока превышают сотни миллиампер и даже десятки ампер, тестируемые образцы не доводились. Пробой регистрировался, если ток через щуп превышал установленное предельное значение I = 1 мА, т. е. ток, уже ощущаемый человеком. На основе экспериментальных данных и предложенной гипотезы построена модель, согласно которой в объеме покрытия существуют сквозные дефекты в виде микроканалов, площадь которых составляет 0,5…2,0 % площади покрытия, а поперечный размер – от 24 до 105 нм. Микроканалы заполнены адсорбированной из атмосферы водой и по ним протекает основной ток при приложении напряжения. Удельное сопротивление воды при условном пробое составляет величину порядка 10⁵ Ом·см. Научная значимость результатов заключается в объяснении причины более низкого удельного сопротивления газотермических покрытий по сравнению с беспористой спеченной алюмооксидной керамикой (более 10¹⁴ Ом·см). Практическая значимость состоит в возможности использования в детонационном напылении ацетиленокислородных смесей с различным сочетанием компонентов без ущерба качества электроизоляционных покрытий.

1. Fauchais P.L., Heberlein J.V.R., Boulos M.I. Thermal spray fundamentals: from powder to part. – New York: Springer Science+Business Media, 2014. – 1565 p. – ISBN 978-0-387-28319-7.

2. Deposition of dense ceramic coatings by detonation spraying / V.Yu. Ulianitsky, A.A. Shtertser, I.S. Batraev, I. Smurov // ITSC-2014 Proceedings. – Barcelona, Spain, 2014. – P. 349–352. – (DVS-Berichte; vol. 302). – ISBN 978-3-87155-574-9.

3. Nieme K., Vuoristo P., Mantyla T. Properties of alumina-based coatings deposited by plasma spray and detonation gun spray process // Journal of Thermal Spray Technology. – 1994. – Vol. 3, iss. 2. – P. 199–203. – doi: 10.1007/BF02646266.

4. Development of catalytic converters using detonation spraying / V. Ulianitsky, A. Shtertser, V. Sadykov, I. Smurov // Materials and Manufacturing Processes. – 2016. – Vol. 31, iss. 11. – P. 1433–1438. – doi: 10.1080/10426914.2016.1151041.

5. Edge effect on crack patterns in thermally sprayed ceramic splats / L. Chen, G.-J. Yang, C.-X. Li, C.-J. Li // Journal of Thermal Spray Technology. – 2017. – Vol. 26, iss. 3. – P. 302–314. – doi: 10.1007/s11666-016-0505-6.

6. Chen L., Yang G.-J. Epitaxial growth and cracking mechanisms of thermally sprayed ceramic splats // Journal of Thermal Spray Technology. – 2018. – Vol. 27, iss. 3. – P. 255–268. – doi: 10.1007/s11666-018-0692-4.

7. Computer-controlled detonation spraying: from process fundamentals toward advanced applications / V. Ulianitsky, A. Shtertser, S. Zlobin, I. Smurov // Journal of Thermal Spray Technology. – 2011. – Vol. 20, iss. 4. – P. 791–801. – doi: 10.1007/s11666-011-9649-6.

8. Pawlowski L. The relationship between structure and dielectric properties in plasma-sprayed alumina coatings // Surface and Coatings Technology. – 1988. – Vol. 35, iss. 3–4. – P. 285–298. – doi: 10.1016/0257-8972(88)90042-4.

9. Effect of temperature and humidity on dielectric properties of thermally sprayed alumina coatings / M. Niittymäki, K. Lahti, T. Suhonen, J. Metsäjoki // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. – 2018. – Vol. 25, iss. 3. – P. 908–918. – doi: 10.1109/TDEI.2018.006892.

10. Role of microstructure in dielectric properties of thermally sprayed ceramic coatings / M. Niittymäki, I. Rytöluoto, K. Lahti, J. Metsäjoki, T. Suhonen // Proceedings of the 1st International Conference on Dielectrics, ICD 2016. – Montpellier, France: IEEE, 2016. – P. 1102–1105. – doi: 10.1109/ICD.2016.7547811.

11. Comparative study of the electrical properties and characteristics of thermally sprayed alumina and spinel coatings / F.L. Toma, S. Scheitz, L.M. Berger, V. Sauchuk, M. Kusnezoff, S. Thiele // Journal of Thermal Spray Technology. – 2011. – Vol. 20, iss. 1–2. – P. 195–204. – doi: 10.1007/s11666-010-9580-2.

12. On the dielectric strengths of atmospheric plasma sprayed Al₂O₃, Y₂O₃, ZrO₂ – 7% Y₂O₃ and (Ba,Sr)TiO₃ coatings / J. Kotlan, R.C. Seshadri, S. Sampath, P. Ctibor, Z. Pala, R. Musalek // Ceramics International. – 2015. – Vol. 41, no. 9. – P. 11169–11176. – doi: 10.1016/j.ceramint.2015.05.066.

13. Neusel C., Jelitto H., Schneider G.A. Electrical conduction mechanism in bulk ceramic insulators at high voltages until dielectric breakdown // Journal of Applied Physics. – 2015. – Vol. 117. – P. 154902(1)–154902(8). – doi: 10.1063/1.4917208.

14. Gerson R., Marshall T.C. Dielectric breakdown of porous ceramics // Journal of Applied Physics. – 1959. – Vol. 30. – P. 1650–1653. – doi: 10.1063/1.1735030.

15. Nikolaev Yu.A., Topchiyan V.E. Analysis of equilibrium flows in detonation waves in gases // Combustion, Explosion, and Shock Waves. – 1977. – Vol. 13, iss. 3. – P. 327–338. – doi: 10.1007/BF00740309.

16. Aluminum oxide, Al₂O₃ ceramic properties [Electronic resource] // Accuratus Corporation: website. – URL: https://www.accuratus.com/alumox.html (accessed: 14.11.2018).

17. Сколунов А.В. Геометрия воды и льда. – М.: Компания Спутник+, 2013. – 312 с. – ISBN 978-5-9973-2685-2.

18. Балыгин И.Е. Электрическая прочность жидких диэлектриков. – М.; Л.: Энергия, 1964. – 227 с.

19. Dielectric breakdown strength of thermally sprayed ceramic coatings: effects of different test arrangements / M. Niittymaki, K. Lahti, T. Suhonen, J. Metsajoki // Journal of Thermal Spray Technology. – 2015. – Vol. 24, iss. 3. – P. 542–551. – doi: 10.1007/s11666-014-0211-1.

20. A novel γ-Al₂O₃ nano?ltration membrane via introducing hollow microspheres into interlayers for improving water permeability / W. Fu, X. Zhang, Y. Mao, T. Pei, B. Sun, S. Mei, L. Chen // Ceramics International. – 2018. – Vol. 44, iss. 13. – P. 15824–15832. – doi: 10.1016/j.ceramint.2018.05.261.

21. Microstructure and mechanical properties of plasma sprayed alumina-based coatings / G.Di Girolamo, A. Brentari, C. Blasi, E. Serra // Ceramics International. – 2014. – Vol. 40, iss. 8, part B. – P. 12861–12867. – doi: 10.1016/j.ceramint.2014.04.143.