The influence of plasma gases composition and powder feed rate on microstructure of ceramic coatings obtained by plasma spray physical vapour deposition (PS-PVD)

• Autorzy: Góral M. , Kubaszek T.

Identyfikatory

DOI

10.2478/amst-2017-0012

Warianty tytułu

PL

Wpływ składu chemicznego gazów plazmotwórczych oraz natężenia przepływu proszku na mikrostrukturę warstwy ceramicznej powłokowej bariery cieplnej wytworzonej w procesie fizycznego osadzania z fazy gazowej z odparowaniem w strumieniu plazmy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents results of research on the influence of the chemical composition of the plasma plume and the powder feed rate on microstructure and thickness of the ceramic coating deposited on IN617 alloy substrate by Plasma Spray Physical Vapour Deposition (PS-PVD) method. There were used three powder feed rates: 2, 10 and 30 g/min and five different compositions of plasma gas (Ar, He, H₂ and O₂). Current – 2200 A, a sample rotation speed – 20 RPM and pressure inside of chamber – 150 Pa was fixed. The results showed that it is possible to deposit ceramic layer with lamellar and columnar structure, depends on process parameters. Columnar structure, characteristic for the PS-PVD process, is possible to obtain when the energy of plasma plume is sufficient for evaporating ceramic powder and deposit in on the substrate. The columnar-like structure coatings were obtained in the process with the highest amount of He – 60 dm³/min and lower values of powder feed rate – 2 and 10 g/min. Such effect was observed independently from the additional flow of H₂ and O₂. The columnar-like structure was possible to deposit also with 30 g/min feed rate. However, evaporation of ceramic powder occurred only in the process with only Ar and He in mixture – respectively 35 and 60 dm³/min and with addition only 2 dm³/min O₂ to it. Nevertheless, inside the structure a lot of unmelted particles was visible.

PL

W pracy ustalono wpływ składu chemicznego mieszaniny gazów plazmotwórczych i natężenia przepływu proszku na budowę warstwy ceramicznej na podłożu nadstopu niklu IN-617. Warstwy wytworzono w procesie fizycznego osadzania z fazy gazowej z odparowaniem za pomocą palnika plazmowego (Plasma Spray Physical Vapour Deposition – PS-PVD). Przyjęto natężenie przepływu proszku: 2, 10 i 30 g/min oraz różny skład chemiczny mieszaniny gazów plazmotwórczych (Ar, He, H₂ i O₂). Stosowano natężenie prądu palnika – 2200 A, prędkość obrotową stołu – 20 obr/min oraz ciśnienie w komorze roboczej – 150 Pa. Analiza wyników badań pozwoliła ustalić, że proces fizycznego osadzania z fazy gazowej z odparowaniem w strumieniu plazmy umożliwia wytworzenie warstwy ceramicznej o budowie lamelarnej i kolumnowej. Budowę kolumnową warstwy, charakterystyczną dla procesu PS-PVD, uzyskano dla energii strumienia plazmy zapewniającej odparowanie podawanego proszku. Warstwy takie wytworzono przy dużym natężeniu przepływu He – 60 dm³/min i małej wartości natężenia przepływu proszku – 2 i 10 g/min. Efekt ten obserwowano niezależnie od natężenia przepływu H₂ oraz O₂. Budowa kolumnowa warstwy możliwa jest również do wytworzenia przy największym natężeniu przepływu proszku – 30 g/min. Odparowanie i osadzenie warstwy ceramicznej stwierdzono tylko dla mieszaniny Ar + He o natężeniu przepływu – odpowiednio 35 i 60 dm³/min oraz dla mieszaniny Ar +He z dodatkowym wprowadzeniem tlenu O₂ o natężeniu przepływu – 2 dm³/min. Wytworzone warstwy cechowały się wówczas występowaniem nieodparowanych cząstek proszku.

Słowa kluczowe

EN

low pressure plasma spray; LPPS; PS-PVD; plasma spray physical vapour deposition

PL

natryskiwanie plazmowe w warunkach obniżonego ciśnienia; LPPS; PS-PVD; fizyczne osadzanie z fazy gazowej; odparowanie w strumieniu plazmy

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN ; De Gruyter
• Czasopismo: Advances in Manufacturing Science and Technology
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 41, nr 2
• Strony: 63--72
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Góral M.

• Department of Materials Science, Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics, Rzeszow University of Technology, Powstancow Warszawy 12, 35-959 Rzeszow

autor

Kubaszek T.

• Department of Materials Science, Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics, Rzeszow University of Technology, Powstancow Warszawy 12, 35-959 Rzeszow

Bibliografia

• [1] A. REFKE, M. GINDRAT, K. VON NIESSEN, R. DAMANI: LPPS Thin film: a hybrid coating technology between thermal spray and pvd for functional thin coatings and large area applications. Proc. of the International Thermal Spray Conference, Beijing 2007, 705-710.
• [2] K. VON NIESSEN, M. GINDRAT, A. REFKE: Vapor phase deposition using lpps thin film. Proc. of International Thermal Spray Conference, Las Vegas 2009, 729-736.
• [3] K. VON NIESSEN, M. GINDRAT: Plasma Spray-PVD: A new thermal spray process to deposit out of the vapor phase. Journal of Thermal Spray Technology, 20(2011)4, 736-743.
• [4] K. VON NIESSEN, M. GINDRAT, A. REFKE: Vapor phase deposition using plasma spray-PVD. Journal of Thermal Spray Technology, 19(2010)1-2, 502-509.
• [5] R. NARAPARAJU, M. HÜTTERMANN, U. SCHULZ, P. MECHNICH: Tailoring the EB-PVD columnar microstructure to mitigate the infiltration of CMAS in 7YSZ thermal barrier coatings. Journal of the European Ceramic Society, 37(2017)1, 261-270.
• [6] B.J. HARDER, D. ZHU: Plasma spray-physical vapor deposition (PS-PVD) of ceramics for protective coatings. Advanced Ceramic Coatings and Materials for Extreme Environments, (2011), 71-84.
• [7] G. MAUER, A. HOSPACH, R. VAßEN: Process development and coating characteristics of plasma spray-PVD. Surface and Coatings Technology, 220(2013), 219-224.
• [8] A. HOSPACH, G. MAUER, R. VAßEN, D. STÖVER: Characteristics of ceramic coatings made by thin film low pressure plasma spraying (LPPS-TF). Journal of Thermal Spray Technology, 21(2012)3-4, 435-440.
• [9] M. GORAL, S. KOTOWSKI, A. NOWOTNIK, M. PYTEL, M. DRAJEWICZ, J. SIENIAWSKI: PS-PVD deposition of thermal barrier coatings. Surface and Coatings Technology, 237(2013), 51-55.
• [10] M. GORAL, S. KOTOWSKI, J.SIENIAWSKI: The technology of plasma spray physical vapour deposition. High Temperature Materials and Processes, 32(2013)1, 33-40.
• [11] M.P. SCHMITT, B.J. HARDER, D.E. WOLFE: Process-structure-property relations for the erosion durability of plasma spray-physical vapor deposition (PSPVD) thermal barrier coatings. Surface and Coatings Technology, 297(2016), 11-18.
• [12] G. MAUER, M.O. JARLIGO, S. REZANKA, A. HOSPACH, R. VASSEN: Novel opportunities for thermal spray by PS-PVD. Surface and Coatings Technology, 268(2015), 52-57.

Uwagi

EN

1. This research has been funded by the Polish National Science Centre as a part of 2011/01/D/ST8/05228 research project.

PL

2. Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).