ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Одним из перспективных современных способов формирования покрытий является детонационное газодинамическое напыление. Покрытия, получаемые этим способом, имеют высокую адгезию к подложке, плотную структуру и заданные функциональные свойства. Разработка технологии получения функциональных покрытий с высоким коэффициентом излучения в инфракрасном диапазоне является насущной необходимостью развития высокотемпературных промышленных процессов и технологий. В высокотемпературных промышленных процессах тратится большое количество энергии, поэтому повышение энергоэффективности промышленного оборудования рассматривается как один из способов преодоления постоянно растущего энергетического кризиса. С этой целью для промышленных печей были разработаны покрытия с высокой инфракрасной излучательной способностью. Эти покрытия обычно наносятся на стенки печи, что значительно повышает энергоэффективность за счет увеличения передачи тепла от теплоотдающих поверхностей печи. Целью работы является получение покрытий с высокими показателями излучения в инфракрасном диапазоне для дальнейшей рекомендации по их использованию в хлебопекарных печах производства Шебекинского машиностроительного завода. Методы исследования образцов покрытий, полученных детонационным газотермическим методом: растровая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ, энергодисперсионный анализ, инфракрасная спектроскопия. Результаты и обсуждение. В работе были исследованы микроструктура, фазовый состав, излучательная способность и стойкость к термоциклированию покрытий Fe2O3, Al2O3 + 10 % Fe2O3 и Ti + 10 % Fe2O3, полученных методом детонационного газодинамического напыления порошков. Результаты исследования показали, что полученные покрытия имеют плотную структуру, повышенный коэффициент излучения и устойчивость к циклам температурной обработки, в результате воздействия которых структура кристаллической решетки покрытий не изменяется.
Сирота Вячеслав Викторович
Зайцев Сергей Викторович
Лимаренко Михаил Витальевич
Прохоренков Дмитрий Станиславович
Лебедев Михаил Сергеевич
Чуриков Антон Сергеевич
Даньшин Алексей Леонидович
1. Tan W., Petorak C.A., Trice R.W. Rare-earth modified zirconium diboride high emissivity coatings for hypersonic applications // Journal of the European Ceramic Society. – 2014. – Vol. 34 (1). – P. 1–11. – DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2013.07.016.
2. Influence of FeSO4 concentration on thermal emissivity of coatings formed on titanium alloy by micro-arc oxidation / H. Tang, T. Xin, Q. Sun, C. Yi, Z. Jiang, F. Wang // Applied Surface Science. – 2011. – Vol. 257 (24). – P. 10839–10844. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2011.07.118.
3. Ultrawhite BaSO4 paints and films for remarkable daytime subambient radiative cooling / X. Li, J. Peoples, P. Yao, X. Ruan // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2021. – Vol. 13 (18). – P. 21733–21739. – DOI: 10.1021/acsami.1c02368.
4. The effect of SiC coatings microstructure on their infrared emissivity / J. Liu, Z. Chen, L. Yang, P. Chai, Q. Wan // Journal of Asian Ceramic Societies. – 2023. – Vol. 11 (1). – P. 98–104. – DOI: 10.1080/21870764.2022.2159952.
5. High emissivity MoSi2–ZrO2–borosilicate glass multiphase coating with SiB6 addition for fibrous ZrO2 ceramic // Ceramics International. – 2016. – Vol. 42 (7). – P. 8140–8150. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.02.020.
6. Single nanoporous MgHPO4·1.2H2O for daytime radiative cooling / X. Huang, N. Li, J. Wang, D. Liu, J. Xu, Z. Zhang, M. Zhong // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2019. – Vol. 12 (2). – P. 2252–2258. – DOI: 10.1021/acsami.9b14615.
7. Švantner M., Honnerová P., Veselý Z. The influence of furnace wall emissivity on steel charge heating // Infrared Physics & Technology. – 2016. – Vol. 74. – P. 63–71. – DOI: 10.1016/j.infrared.2015.12.001.
8. Industrial reheating furnaces: A review of energy efficiency assessments, waste heat recovery potentials, heating process characteristics and perspectives for steel industry / J. Zhao, L. Ma, M.E. Zayed, A.H. Elsheikh, W. Li, Q. Yan, J. Wang // Process Safety and Environmental Protection. – 2021. – Vol. 147. – P. 1209–1228. – DOI: 10.1016/j.psep.2021.01.045.
9. Emissivity of spinel and titanate structures aiming at the development of industrial high-temperature ceramic coatings / E.Y. Sako, H.D. Orsolini, M. Moreira, D. De Sousa Meneses, V.C. Pandolfelli // Journal of the European Ceramic Society. – 2021. – Vol. 41 (4). – P. 2958–2967. – DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.11.010.
10. Double layer SiO2/Al2O3 high emissivity coatings on stainless steel substrates using simple spray deposition system / D.B. Mahadik, S. Gujjar, G.M. Gouda, H.C. Barshilia // Applied Surface Science. – 2014. – Vol. 299. – P. 6–11. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2014.01.159.
11. Influence of Fe2O3 on the structure and near-infrared emissivity of aluminosilicate glass coatings / A. Gahmousse, K. Ferria, J. Rubio, N. Cornejo, A. Tamayo // Applied Physics A. – 2020. – Vol. 126 (9). – P. 732. – DOI: 10.1007/s00339-020-03921-8.
12. Heynderickx G.J., Nozawa M. High-emissivity coatings on reactor tubes and furnace walls in steam cracking furnaces // Chemical Engineering Science. – 2004. – Vol. 59 (22–23). – P. 5657–5662. – DOI: 10.1016/j.ces.2004.07.075.
13. Composite fillers and their influence on emissivity / M. Mauer, P. Kalenda, M. Honner, P. Vacikova // Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 2012. – Vol. 73 (12). – P. 1550–1555. – DOI: 10.1016/j.jpcs.2011.11.015.
14. Study of failure of EB-PVD thermal barrier coating upon near-α titanium alloy / B. He, F. Li, H. Zhou, Y. Dai, B. Sun // Journal of Materials Science. – 2008. – Vol. 43. – P. 839–846. – DOI: 10.1007/s10853-007-2204-7.
15. Vacuum arc deposition of Al2O3–ZrO2 coatings: arc behavior and coating characteristics / I. Zukerman, V.N. Zhitomirsky, G. Beit-Ya’akov, R.L. Boxman, A. Raveh, S.K. Kim // Journal of Materials Science. – 2010. – Vol. 45. – P. 6379–6388. – DOI: 10.1007/s10853-010-4734-7.
16. Shin D.-I., Gitzhofer F., Moreau C. Thermal property evolution of metal based thermal barrier coatings with heat treatments // Journal of Materials Science. – 2007. – Vol. 42. – P. 5915–5923. – DOI: 10.1007/s10853-007-1772-x.
17. High emissivity coatings on titanium alloy prepared by micro-arc oxidation for high temperature application / H. Tang, Q. Sun, C.G. Yi, Z.H. Jiang, F.P. Wang // Journal of Materials Science. – 2012. – Vol. 47. – P. 2162–2168. – DOI: 10.1007/s10853-011-6017-3.
18. Ca-Mn co-doping LaCrO3 coating with high emissivity and good mechanical property for enhancing high-temperature radiant heat dissipation / H. Zhang, C. Wang, Y. Wang, S. Wang, G. Chen, Y. Zou, C. Deng, D. Jia, Y. Zhou // Journal of the European Ceramic Society. – 2022. – Vol. 42 (15). – P. 7288–7299. – DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2022.08.033.
19. Preparation of black high absorbance and high emissivity thermal control coating on Ti alloy by plasma electrolytic oxidation / Z. Yao, B. Hu, Q. Shen, A. Niu, Z. Jiang, P. Su, P. Ju // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 253. – P. 166–170. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.05.032.
20. Колисниченко О.В., Тюрин Ю.Н., Товбин Р. Эффективность процесса напыления покрытий с использованием многокамерного детонационного устройства // Автоматическая сварка. – 2017. – № 10. – С. 28–34.
21. Zircon-based ceramic coatings formed by a new multi-chamber gas-dynamic accelerator / M. Kovaleva, M. Prozorova, M. Arseenko, Y. Tyurin, O. Kolisnichenko, M. Yapryntsev, V. Novikov, O. Vagina, V. Sirota // Coatings. – 2017. – Vol. 7 (9). – P. 142. – DOI: 10.3390/coatings7090142.
22. Detonation spraying of composite targets based on Ni, Cr and B4C for magnetron multi-functional coating / V.V. Sirota, S. Zaitsev, D. Prokhorenkov, M. Limarenko, A. Skiba, M.G. Kovaleva // Key Engineering Materials. – 2022. – Vol. 909. – P. 115–120. – DOI: 10.4028/p-74w31h.
23. Effect of heat treatment on the microstructure and phase composition of ZrB2–MoSi2 coating / M. Kovaleva, I. Goncharov, V. Novikov, M. Yapryntsev, O. Vagina, I. Pavlenko, V. Sirota, Y. Tyurin, O. Kolisnichenko // Coatings. – 2019. – Vol. 9 (12). – P. 779. – DOI: 10.3390/coatings9120779.
24. The influence of cold and detonation thermal spraying processes on the microstructure and properties of Al-based composite coatings on Mg alloy / Q. Wang, Q. Sun, M.-X. Zhang, W.-J. Niu, C.-B. Tang, K.-S. Wang, R. Xing, L. Zhai, L. Wang // Surface and Coatings Technology. – 2018. – Vol. 352. – P. 627–633. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.08.045.
25. Thermal spray using a high-frequency pulse detonation combustor operated in the liquid-purge mode / T. Endo, R. Obayashi, T. Tajiri, K. Kimura, Y. Morohashi, T. Johzaki, K. Matsuoka, T. Hanafusa, S. Mizunari // Journal of Thermal Spray Technology. – 2016. – Vol. 25. – P. 494–508. – DOI: 10.1007/s11666-015-0354-8.
Финансирование
Исследования выполнены в рамках Комплексного проекта № 30/22 от 12.10.22 г. в рамках Соглашения № 075–11-2023-017 от 13.02.2023 г. «Создание высокотехнологичного производства композиционных режущих элементов машин и теплового оборудования для переработки продукции сельскохозяйственной отрасли».
Благодарности
Исследования выполнены на оборудовании Центра высоких технологий БГТУ им В. Г. Шухова.
Получение покрытий с высокой инфракрасной излучательной способностью / В.В. Сирота, С.В. Зайцев, М.В. Лимаренко, Д.С. Прохоренков, М.С. Лебедев, А.С. Чуриков, А.Л. Даньшин // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 2. – С. 23–37. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.2-23-37.
Sirota V.V., Zaitsev S.V., Limarenko M.V., Prokhorenkov D.S., Lebedev M.S., Churikov A.S., Dan’shin A.L. Preparation of coatings with high infrared emissivity. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2024, vol. 26, no. 2, pp. 23–37. DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.2-23-37. (In Russian).
