ANALYSIS OF ENERGY COSTS IN THE FORMATION OF PLASMA COATINGS AND IN DESTRUCTION UNDER LOAD CONDITIONS

Authors

  • V. I. KOPYLOV E. O. Paton Institute of Materials Science and Welding of National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute” https://orcid.org/0000-0002-1789-3226
  • V. V. PETRENKO E. O. Paton Institute of Materials Science and Welding of National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”
  • І. A. SIELIVERSTOV Kherson National Technical University https://orcid.org/0009-0009-6135-8165

DOI:

https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2025.3.1.17

Keywords:

plasma spraying, adhesion, energy balance, destruction, crack resistance

Abstract

To evaluate the adhesion energy of interacting surfaces during plasma spraying of powder materials in the ‘base – plasma coating’ system, the proposed approaches are primarily thermodynamic and electron-statistical. An analysis of surface properties and an assessment of the processes of formation of strong bonds and their destruction under plasma spraying conditions were carried out using computational and experimental research methods. The solutions obtained, in general, made it possible to calculate the values of adhesion energy and force, as well as the strength of the bond between the coatings and the base. The calculated values of adhesion work Uа were calculated based on a physical model that takes into account such sputtering parameters as gas flow velocity, particle velocity and size, the ratio of the geometric parameters of the sputtered particles and the micro-relief of the surface layers of the base material, and their physical and mechanical properties. from the parameters of the sprayed material particles The presented methodology for assessing the nature of destruction and crack resistance of the obtained composite materials is based on consideration of the energy balance of the system at the moment of crack initiation. The aim of research in this area is to determine the crack resistance coefficients K1c and the intensity of released energy G1c when considering the energy balance at the moment of crack formation in different areas of the base-coating system. By introducing criterion dependencies into the calculation, it is possible to predict the nature of system failure based on the ratios of crack resistance coefficients K1c and certain dimensionless parameters that collectively describe cracking, delamination, and deformation processes. The coatings studied in the work showed high values of fracture toughness (G1c and K1c). It has been established that systems with ultradisperse nanoparticles are characterised by increased crack resistance. Nanoparticles in a multiphase coating contribute to the formation of strong cohesive and adhesive bonds both in the coating itself and in the interphase region.

References

Копилов В. І., Смирнов І. В., Сєліверстов І. А. Формування та властивості плазмових багатофазних покриттів із нанорозмірними складовими : монографія. Київ : Наукова думка, 2019. 480 с.

Kopylov V. I. Effect of multiphase structure of plasma coatings on their elastic and strength properties. Eastern-Eurohean Journal of Enterprise Technologies. 2016. №5/5 (83). P. 49–57. DOI:10.15587/1729-4061.2016.79586

Розов Ю. Г., Сєліверстов І. А., Сошко В. О. Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів : навч. посіб. Херсон : Олді-плюс, 2010. 338 с.

Фізико-хімічна механіка матеріалів / за ред. В. В. Панасюка. Львів : НАН України, Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка, 2010. 448 с.

Ahn J., Hwang B., Song E. P., Lee S., Kim N. J. Correlation of microstructure and wear resistance of Al2O3-TiO2 coatings plasma sprayed with nanopowders. Metall. Mater. Trans. 2006. Vol. 37A. P. 1851-1861. DOI:10.1007/s11661-006-0128-5

Chang-Jiu Li, Wei-Ze Wang, Yong He. Dependency of fracture toughness of plasma sprayed Al2O3 coatings on lamellar structure. J. Thermal Spray Technology. 2005. Vol 13. № 3. P. 425-431. DOI:10.1361/10599630419364

Morks M. F., Tsunekawa Y., Okumiya M., Shoeib M. A. Splat Microstructure of Plasma Sprayed Cast Iron With Different Chamber Pressures. Journal of Thermal Spray Technology. 2003. Vol. 12(2). P. 282–289. DOI: 10.1361/105996302770348880

Антоненко Д. А., Копилов В. І. Тріщиностійкість композитних матеріалів з нанокерамічними складовими. Вісник Донбаської машинобудівної академії. 2012. № 3 (28). С. 24–29.

Копилов В. І., Смирнов І. В. Вплив параметрів частинок і мікрорельєфу поверхні на формування фізичної площі контакту при газотермічному напиленні. Вісник НТУУ «КПІ». Машинобудування. 2008. № 53. С. 5–16.

Копилов В. І. Поверхневі фізико-хімічні процеси : навч. посіб., ред. В. І. Копилов, І. В. Смирнов. Київ : НТУУ «КПІ», 2012. 284 с.

Порошок для плазмового нанесення покриттів: пат. 69338 Україна: МПК С23С4/10. №201112209; заявл. 18.10.2011; опубл. 25.04.2012; бюл. № 8.

Копилов В. І. Адгезійні властивості і міцність зчеплення газотермічних покриттів. Наукові вісті НТУУ «КПІ» / В. І. Копилов, І. В. Смирнов, Д. О. Антоненко. Київ, 2010. № 1. С. 93–103.

Поверхневі властивості розплавів та твердих тіл та їх використання у матеріалознавстві / за ред. Найдича Ю. В. Київ : АН УРСР, ін.-т пробл. матеріалознавства ім. І. М. Францевича. Наук. думка, 1991. 280 с.

Hu M. S., Evans A. G. The cracking and decohesion of thin films on ductile substrates. Acta metall. 1989. Vol. 37, № 3. P. 917–925. DOI: https://doi.org/10.1016/0001-6160(89)90018-7

Published

2025-11-28