Investigation of the Effect of Oxygen Pressure on the Structural–Phase State and Functional Properties of Zr2CN Coatings Obtained by HVOF Spraying
Keywords:
U8G carbon stee l; HVOF 2; SEM 3; XRD 4.Abstract
Данное исследование посвящено анализу влияния давления кислорода на структурно-фазовое состояние, микроструктуру и микротвердость покрытий Zr₂CN, полученных методом высокоскоростного кислородно-топливного напыления (ВТН). Установлено, что изменение давления кислорода в диапазоне (4,0–4,5) · 10⁵ Па приводит к значительным изменениям фазового состава, степени кристалличности и микроструктурных особенностей получаемых покрытий. Рентгенодифракционный анализ выявил образование многофазной системы, состоящей из фаз Zr₂CN , ZrC, ZrN и ZrO₂ , при этом доминирующей является карбонитридная фаза с гранецентрированной кубической структурой. Показано, что наиболее благоприятные условия для формирования покрытия достигаются при давлении кислорода 4,3 · 10⁵ Па, что обеспечивает стабилизацию фазы Zr₂CN и минимизирует содержание вторичных фаз и оксидных включений. Микроструктурные исследования (СЭМ/ЭДС) подтвердили образование плотного и однородного покрытия с равномерным распределением элементов и четко выраженной границей раздела с подложкой. Механические испытания показали, что оптимальный режим напыления обеспечивает наилучшие эксплуатационные характеристики, включая повышенную прочность сцепления, достигающую 18,4 МПа. Полученные результаты демонстрируют ключевую роль давления кислорода в контроле взаимосвязи структуры и свойств и могут быть использованы для оптимизации технологии HVOF для производства высокоэффективных износостойких покрытий на основе Zr₂CN .
References
1. Liu, S.; Yang, J.; Liang, X.; Sun, Y.; Zhao, X.; Cai, Z. Investigation of the Preparation, Corrosion Inhibition, and Wear Resistance of the Chromized Layer on the Surfaces of T9 and SPCC Steels. Materials 2022, 15, 7902, doi:10.3390/ma15227902
2. Wang, Y.; Feng, C.; Lin, T.; Zhu, R.; Zhang, J.; Yang, H.; Yi, S.; He, J.; Tu, M.; Wei, G. A Review of Wear-Resistant Coatings for Steel Substrates: Applications and Challenges. Metals 2025, 15, 1231, doi:10.3390/met15111231
3. Cotruț, C.-M., Braic, V., Balaceanu, M., Titorencu, I., Braic, M., & Parau, A.C. (2013). Corrosion resistance, mechanical properties and biocompatibility of Hf-containing ZrCN coatings. Thin Solid Films.
4. Zhang, G.Y., Wang, R.L., Wang, L.R., & Liu, Y.F. (2020). Study on the reaction mechanism of synthesis of Zr₂CN by carbothermal reduction. Ceramics International.
5. Kuzmenko, E., Matrenin, S., & Nassyrbayev, A. (2025). Oxidation behavior and physico-mechanical properties of spark plasma sintered ZrCN-ZrO₂ ceramics. Ceramics International. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.09.393
6. Cinca, N.; Lima, C.R.C.; Guilemany, J.M. An Overview of Intermetallics Research and Application: Status of Thermal Spray Coatings. J. Mater. Res. Technol. 2013, 21, 75-86. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2013.03.013
7. Kanda, S.; Tokoroyama, T.; Umehara, N.; Fuwa, Y. In Situ Analysis of the Tribochemical Reaction of CNx by FTIR. Tribol. Online 2008, 3, 100-104. https://doi.org/10.2474/trol.3.100
8. Kurbanbekov, S.; Suierkulova, Z.; Omashova, G.; Kaldar, B.; Temirbekov, A.; Kambarbekov, S.; Shektibayev, N.; Baltabayeva, D. Influence of Air Pressure on the Microstructure, Phase Composition, and Tribomechanical Performance of Thin ZrCN Coatings Deposited via HVOF Spraying. Crystals 2025, 15, 762, doi:10.3390/cryst15090762
9. Kurbanbekov, S.R.; Kaldar, B.; Kakimzhanov, D.N.; Musakhan, N.P.; Baltabayeva, D.E.; Shektibayev, N.A.; Amangeldieva, Y.O. Method of Applying ZrCN Coating to Cutting Tools; Utility Model No. 2024/1618.2, filed 18.12.2024, published 19.12.2025; Khoja Ahmed Yasawi International Ka-zakh-Turkish University: Kazakhstan (in Kazakh)
10. Kanda, S.; Tokoroyama, T.; Umehara, N.; Fuwa, Y. In Situ Analysis of the Tribochemical Reaction of CNx by FTIR. Tribol. Online 2008, 3, 100-104. https://doi.org/10.2474/trol.3.100
11. Baroni, E.; Fortini, A.; Meo, L.; Soffritti, C.; Merlin, M.; Garagnani, G.L. Ball-on-Disk Wear Maps for Bearing Steel-Hard Anodized EN AW-6082 Aluminum Alloy Tribocouple in Dry Sliding Conditions. Coatings 2024, 14, 1469. https://doi.org/10.3390/coatings14111469
12. Galindo, S.C.V.R.E.; Benito, N.; Palacio, C.; Cavaleiro, A.; Carvalho, S. Ag+ Release Inhibition from ZrCN-Ag Coatings by Surface Agglomeration Mechanism: Structural Characterization. J. Phys. D: Appl. Phys. 2013, 46, 325303. https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/32/325303
13. Qiao, L.; Zhou, B.; Li, R.; Li, T.; Zhao, Y.; Zhang, X.; Lee, C.-H. Effects of Sliding Speed on Wear Behavior of High-Velocity Oxygen Fuel-Sprayed FeCrMoNiCuBSiC Metallic Glass Coatings. Lubricants 2025, 13(1), 10. https://doi.org/10.3390/lubricants13010010
Downloads
Published
Issue
Section
License
Copyright (c) 2026 International Journal of Energy and Applied Sciences
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
