ВАК 2.5.5 УДК 620.186 УДК 621.79

К ВОПРОСУ ВОЗМОЖНОСТИ АКТИВАЦИИ ПОРОШКОВЫХ КОМПОНЕНТОВ В СМЕСИТЕЛЕ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ

Опубликовано в Воронежский научно-технический вестник · Том 3, Номер 3, 2026 · Страницы 3–9 · Рубрика: ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
DOI: https://doi.org/10.34220/2311-8873-2026-3-9
Получено: 29.10.2026 Одобрено: 07.11.2026 Опубликовано: 07.11.2026 Язык публикаций: ru-RU
Статья посвящена процессу подготовки многокомпонентной смеси (Fe, Ni, Al, Сr, Mo) для плазменного напыления покрытий. Для смешивания компонентов порошков использовался разработанный смеситель в виде шестигранной бипирамиды с оребренными гранями. Перфорация реберных пластин граней, смешивание порошков и подача полученной смеси в аргоновой среде в плазменную струю плазмотрона позволило повысить прочность соединения плазменного покрытия с основой на величину до 15 %. Это может показывать на частичную активацию частиц порошков в разработанном смесителе.
МЕХАНИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ, МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОРОШКИ, ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ, СМЕСИТЕЛЬ, ИНЕРТНАЯ АТМОСФЕРА, ПРОЧНОСТЬ ПОКРЫТИЙ
Текст Список литературы
Текст (PDF)
Читать Скачать

1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы

 

Анализ литературных источников показывает, что методологическая база механической активации металлических порошков хорошо проработана и продолжает развиваться как в теоретическом, так и в прикладном аспектах [1-9]. Фундаментальное понятие активации разделяют на механоактивацию (МА) (накопление дефектов и изменение свойств) и механическое сплавление (химическое взаимодействие и массоперенос на атомарном уровне). Механическая активация коренным образом меняет структуру материала на микро- и наноуровне, что влечет за собой изменение его физико-химических свойств [2-4]. Главным макроскопическим эффектом структурных изменений является резкое повышение химической и реакционной активности поверхности металлов. Механическая активация значительно влияет на свойства порошков, позволяя определить оптимальные параметры для реактивного плазменного напыления (РПН), которое является высокоэффективным методом создания покрытий с уникальными эксплуатационными характеристиками [9]. Установлено, что оптимальное время активации составляет 60 минут, при котором достигается наилучшее сочетание характеристик: уменьшение размера частиц, снижение агломерации, повышение термической стабильности и образование фаз с высокой кристалличностью. Обнаружено, что такие условия активации способствуют синтезу новых функциональных фаз, что повышает реакционную способность и однородность композиции.

Также анализ известных исследований показал, что при МА чаще всего используют высокоинтенсивные шаровые мельницы, которые в процесс активации и смешивания существенно измельчают частицы порошка до фракции менее 1 мкм, даже за короткие интервалы смешивания 15-30 мин. Такие мелкодисперсные фракции порошка, попадая в плазменную струю, испаряются, сгорают, изменяя заданный химический состав покрытия. Кроме этого, смешивание порошков осуществляется в воздушной атмосфере, что приводит к интенсивному окислению частиц порошка и ухудшению реакционной способности поверхности, а значит и качеству адгезионного взаимодействия при формировании покрытия. Таким образом, в качестве основного оборудования для газотермического напыления для активации порошков используют планетарные мельницы, струйные мельницы и дезинтеграторы. Это подтверждается экспериментальными работами, где, например, для получения сплавов Ti-Nb и Fe-Ti используются планетарные мельницы типа АГО-2С [5-7].

Эволюция методов МА подробно рассмотрена в статье из журнала "Chemistry for Sustainable Development" за 2024 год [2]. Авторы этой работы из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН показывают, как развитие технологий механической активации шло параллельно с созданием нового оборудования (планетарные мельницы, автоклавы) для решения конкретных промышленных задач по переработке сырья. Международный контекст метода МА подтверждается обзором 2023 года о его роли в переработке титанового сырья, а также обзором, посвященным применению барабанных мельниц с перемешивающей средой (stirred media mills) [7]. Краткий анализ основных исследований МА материалов приведен в табл. 1.

 

Таблица 1 – Результаты исследований МА различных материалов

Тематика исследования

Материал порошка

Основные выводы / Эффект МА

Влияние МА на свойства металлических покрытий

Медь (Cu)

МА улучшает внутреннюю структуру и прочностные свойства плазменных покрытий. Активность порошка растет с накоплением дефектов кристаллической решетки, но имеет оптимум по времени (15 мин) [8]

Оптимизация МА для реактивно-плазменного напыления (РПН)

TiSiCN (Ti+SiC, TiCN+Si)

Определено оптимальное время активации (60 мин) для улучшения морфологии, термической стабильности и фазового состава порошков. МА способствует синтезу новых фаз [9]

Влияние МА на эволюцию порошков
для РПН

TiSiCN (Ti+SiC, TiCN+Si)

МА уменьшает размер частиц, увеличивает удельную поверхность и реакционную способность. Полученные покрытия отличаются высокой плотностью, твердостью и термической стабильностью [9]

МА керамических порошков для плазменного напыления

Al₂O₃-TiO₂, Al₂O₃-ZrO₂

Исследовано влияние МА на структуру и фазовый состав керамических покрытий, полученных при различных параметрах плазменного напыления [10]

МА в процессе получения порошков
для напыления
(СВС + плазма)

TiC–Co, TiC–NiCr

МА используется как предварительная стадия для активации реагентов в самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) перед плазменной обработкой для сфероидизации частиц [6]

 

Несмотря на большое количество публикаций, посвященных МА, механические процессы активации материалов рассмотрены в основном для случая использования различных мельниц. Подготовка многокомпонентных смесей для плазменного напыления в основном осуществляется с помощью смесителей, активация порошков в которых практически отсутствует. Поэтому представляет интерес модернизации смесителей, обеспечивающих помимо смешения компонентов еще дополнительную активацию.

Целью исследований является оценка возможности активации порошковой многокомпонентной смеси с помощью модифицированного смесителя, интенсифицирующего смесеобразование, и определение влияния этого на физико-механические свойства покрытий, полученных плазменным напылением. Объект исследования – процессы активного смешения порошковых компонентов и плазменного напыления полученной многокомпонентной смеси. Предмет исследования – физико-механические свойства плазменных покрытий, напыленных из многокомпонентной смеси, подготовленной в модифицированном смесителе.

 

2 Материалы и методы

 

Для смешения металлических порошков была разработана конструкция порошкового смесителя, позволяющего интенсифицировать процесс (рис.1), особенностями конструкции которого являются:

 – форма корпуса выполнена в виде шестигранной бипирамиды. Грани смесителя имеют оребрение перфорированными пластинами, обеспечивающими активное перемешивание и разделение частиц порошка в случае слипания, а также активное трение частиц между собой и поверхностями смесителя;

– смеситель оснащен штуцерами ввода и вывода газа, прямым и обратным клапанами для прокачки смесителя с целью замещения в нем рабочих газов (например, воздуха инертным газом). Привод смесителя оснащен электронным блоком управления, позволяющим задавать продолжительность и частоту вращения смесителя.

После активации в инертной атмосфере порошок транспортируется в плазматрон в инертной среде газа для предотвращения окисления частиц. Экспериментальная порошковая смесь массой 0,5 кг состояла из 5 компонентов (Fe, Ni, Al, Сr, Mo) в эквимолярном соотношении, дисперсность порошка была одинаковой после просева 45-50 мкм.

 

а)

б)

а) 3D-модель; б) фото смесителя; 1 – смеситель; 2 – ременная передача; 3 – привод смесителя
(мотор-редуктор); 4 – засыпная горловина; 5 – шаровый кран; 6 – штуцер присоединения трубки
подачи порошка к плазматрону; 7 – штуцер с обратным клапаном ввода инертного газа;
8 – штуцер к клапану вывода газа; 9 – каркас смесителя-активатора; 10 – винт засыпной горловины

Рисунок 1 – Общий вид смесителя-активатора

 

Порошковая смесь, прошедшая смешение, для минимизации окисления частиц смеси подавалась в среде инертного газа (аргона) непосредственно в плазменную струю, создаваемую плазматроном. Степень механической активации оценивалась косвенно через непосредственное её влияние на изменение физико-механических свойств получаемых покрытий (прочность, твердость). Прочность соединения покрытия с основой определяли методом сдвига с помощью оправки на образцах-роликах. По максимальному усилию, предшествовавшему срыву покрытия определяли прочность его сцепления с основой. Твердость покрытия определяли на твердомере Роквелла ТК-2М по шкале С. Плазменное напыление осуществляли на установке, описанной в работе [11], на режимах: средний ток дуги Jср =  150 А; среднее напряжение на дуге Uср = 200 В; расход плазмообразующего азота QN2 = 1,5×10-3 м3/с (90 л/мин); расход транспортирующего аргона Qтрансп. = 0,1×10-3 м3/с (6 л/мин); дистанция напыления L = 160 мм; расход порошка Gпор= 2 г/с.

Целью предварительных испытаний было: установление граничных значений выбранных факторов (продолжительности смешения и частоты вращения барабана) и их влияния на прочность соединения покрытия с основой; оценка режимов возможного слипания частиц с образованием агломерата порошка, недопустимого по размерам напыления. Испытания проводили с короткими интервалами времени по 10 мин на 4-х уровнях варьирования при частотах вращения на 2-х уровнях (30 и 60 об/мин).

 

3 Результаты исследований

 

Перед началом испытаний порошковую смесь засыпали в смеситель, герметично закрывали и производили прокачку аргоном, поддерживая в ходе испытаний небольшое избыточное давление с целью компенсации утечек и гарантии от проникновения в смеситель воздуха. По истечении заданного времени испытаний вращение останавливали, открывали нижний кран смесителя и подавали транспортирующий аргон через эжектор в магистраль плазматрона. Избыточное давление в баке смесителя также способствовало подаче порошка к эжектору. Далее производилось нанесение порошковой смеси на предварительно подготовленные образцы-ролики из стали 45, прошедшие пескоструйную обработку. Перед испытанием на адгезионную прочность оценивали твердость покрытия на образцах-роликах. Выраженного изменения твердости не наблюдалась: при невысокой интенсивности смешивания, 30 об/мин, и времени смешения 40 мин, твёрдость составила 35-37 HRC, а при повышенной интенсивности, 60 об/мин, и времени 40 мин, твердость несколько возрастала 38-41 HRC.

Результаты испытаний на адгезионную прочность представлены на рис. 2.

 

 

Рисунок 2 – Графическая зависимость влияния времени активации порошка
при смешивании на адгезионную прочность плазменного покрытия

 

В результате испытаний была отмечена небольшая (до 15 %) тенденция к росту прочности соединения покрытия с основой при увеличении продолжительности перемешивания свыше 20 мин при частоте вращения барабана 60 об/мин. Полученные эмпирические данные хорошо аппроксимировались степенной функций. Это свидетельствует о возможном существовании активационного эффекта и его роста с увеличением времени обработки. В процессе испытаний на данных режимах слипания частиц порошка и формирования агломерата не наблюдалось.

 

 

 

4 Обсуждение и заключение

 

Результаты проведенных испытаний предположительно свидетельствуют о наличии эффекта активации порошковой смеси при перемешивании ее в разработанном смесителе в инертной атмосфере и её влияния на прочность соединения покрытия с основой, полученного плазменным напылением. С ростом интенсивности перемешивания в интервале времени от 20 до 40 мин при частоте вращения до 60 мин-1 происходило повышение прочности соединения покрытия с основой на 15 % при отсутствии слипания порошковых частиц на данных режимах. Полученные результаты предварительных испытаний создают предпосылки к продолжению исследований в данном направлении с учетом следующих весомых условий, способных интенсифицировать процесс, к которым можно отнести:

– выбор научно-обоснованного сочетания металлов в составе порошковой смеси, учитывая различную индивидуальную химическую активность металлов;

– определение наиболее рациональных режимов смешивания порошков, обеспечивающих максимальную активацию порошка без слипания частиц в крупные агломераты;

– использование при смешивании поверхностно-активных веществ (кислоты, спирты), способствующих активации поверхности порошка;

– разработка и совершенствование более эффективных смесителей-активаторов.

1. Adit Sharma, Vladislav Yu. Zadorozhnyy, Aamir Shahzad, Artem A. Korol, Sergey D. Kaloshkin, J.C. Qiao, Investigating the diffusion behavior in the Ti-Fe, Ni-Ti, Ti-Al, and Ni-Al binary systems during solid-state synthesis of intermetallic compounds via mechanical alloying, Journal of Alloys and Compounds, Volume 1022, 2025, 179964, ISSN 0925-8388, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.179964.

2. Stages of Development and Introduction of Mechanochemical and Autoclave Technologies in IndustryYU. D. Kaminskiy, N. Z. Lyakhov Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia Keywords: mechanical activation, mechanochemistry, planetary mill, tubular autoclave, autoclave technologies Pages: 588–598

3. Русинов П. О., Бледнова Ж. М. Использование механоактивированных порошков на основе TiNiCu для формирования плазменным напылением в вакууме поверхностных слоёв... // Сборник конференции. — 2012. — URL: http://www.issp.ac.ru/ebooks/conf/NFM_2012.pdf (дата обращения: 25.10.2026).

4. Полубояров В. А., Лапин А. Е., Коротаева З. А. и др. Влияние механической активации металлических порошков на их реакционную способность и свойства плазменных покрытий // Химия в интересах устойчивого развития. – 2002. – URL: https://sibran.ru/journals/issue.php?ID=163488&PAGEN_1=902&ARTICLE_ID=121372 (дата обращения: 25.10.2026).

5. A.Yu. Eroshenko, E.V. Legostaeva, P.V. Uvarkin, A.I. Tolmachev, M.A. Khimich, V.P. Kuznetsov, S.I. Stepanov, I.A. Vorontsov, G.Zh. Mukanov, Yu.P. Sharkeev, Evolution of microstruc-ture and mechanical properties of Ti-Nb-Zr and Ti-Nb-Zr-Ta-Sn alloys in severe plastic deformation, Materials Letters,Volume 382,2025,137805,ISSN 0167-577X,https://doi.org/10.1016/j.matlet.2024.137805. EDN: https://elibrary.ru/XCJXER

6. Синтез интерметаллидов системы Ti–Fe из смесей элементарных порошков / Г.А. Прибытков, А.В. Барановский, В.В. Коржова, И.А. Фирсина, В.П. Кривопалов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 3. – С. 126–136. – DOI:https://doi.org/10.17212/1994-6309-2023-25.3-126-136. EDN: https://elibrary.ru/ATIJTG

7. Subasinghe, H.C.S. Ratnayake, A.S. Mechanical activation and physicochemical factors controlling pyrometallurgical, hydrometallurgical, and electrometallurgical processing of titanium ore: A review, 123, 8, pp.399-414. ISSN 2411-9717. https://doi.org/10.17159/2411-9717/2082/2023. EDN: https://elibrary.ru/HSEVGA

8. В.А. Полубояров, А.Е. Лапин, З.А. Коротаева, А.Н. Черепанов, О.П. Солоненко, Н.С. Коботаева, Е.Е. Сироткина, М.А. Корчагин/ Влияние механических воздействий на прочностные характеристики плазменных металлических покрытий и реакционную способность металличе-ской меди // Физ. мезомех. - 2002. - Т. 5. - № 2. - С. 97-102 EDN: https://elibrary.ru/KWORSN

9. Baimoldanova, L.; Rakhadilov, B.; Kengesbekov, A.; Kuanyshbai, R. Influence of Mechani-cal Activation on the Evolution of TiSiCN Powders for Reactive Plasma Spraying. Crystals 2024, 14, 1005. https://doi.org/10.3390/cryst14111005. EDN: https://elibrary.ru/ZOTXJR

10. Sandrine Coste, Ghislaine Bertrand, Christian Coddet, Eric Gaffet, Horst Hahn, et al.. Microstructural and Mechanical Characterization of Mechanically-Activated Plasma-Sprayed Nanostructured Al2O3-TiO2 and Al2O3-ZrO2 Coatings. CIMTEC 2006, Jun 2006, Acireale, Sicily, Italy. Advances in Science and Technology, 45, pp.1224-1229, 2006, âŸhttps://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AST.45.1224⟩. ⟨hal-05372440. DOI: https://doi.org/10.4028/3-908158-01-x.1224

11. Кадырметов, А. М. Оборудование для плазменного нанесения и упрочнения покры-тий с модуляцией электрических параметров [Текст] / А. М. Кадырметов, Д. И. Станчев, Г. А. Сухочев // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2010. – № 11(71). – С. 41-48. EDN: https://elibrary.ru/MWDPQL

Войти или Создать
* Забыли пароль?