Preparation of coatings with high infrared emissivity

Abstract

Introduction. One of the promising modern methods of coating formation is detonation gas dynamic sputtering. Coatings obtained by this method have high adhesion to the substrate, dense structure and specified functional properties. Development of technology for obtaining functional coatings with high emission coefficient in the infrared range is an urgent need for the development of high-temperature industrial processes and technologies. High-temperature industrial processes consume a large amount of energy, so improving the energy efficiency of industrial equipment is considered as one of the ways to overcome the ever-growing energy crisis. To this end, coatings with high infrared emissivity have been developed for industrial furnaces. These coatings are usually applied to the furnace walls, which significantly improves energy efficiency by increasing heat transfer from the heat-emitting surfaces of the furnace. The purpose of the work is to obtain coatings with high emission indices in the infrared range for further recommendation of its use in baking ovens of Shebekinsky machine-building plant. Methods for studying coating specimens obtained by detonation gas-thermal method: scanning electron microscopy, X-ray phase analysis, energy dispersive analysis, infrared spectroscopy. Results and discussion. The microstructure, phase composition, emissivity and thermal cycling resistance of Fe2O3; Al2O3 + 10 % Fe2O3; Ti + 10% Fe2O3 coatings obtained by detonation gas-dynamic powder spraying are investigated in this work. The results of the study showed that the obtained coatings have a dense structure, increased emissivity and resistance to thermal treatment cycles, as a result of which the structure of the crystal lattice of the coatings does not change.

About the authors

V. V. Sirota

Email: zmas36@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4634-7109
Ph.D. (Physics and Mathematics), Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 46 Kostyukova st., Belgorod, 308012, Russian Federation, zmas36@mail.ru

S. V. Zaitsev

Email: sergey-za@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0122-1908
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 46 Kostyukova st., Belgorod, 308012, Russian Federation, sergey-za@mail.ru

M. V. Limarenko

Email: mclam@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6699-6910
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 46 Kostyukova st., Belgorod, 308012, Russian Federation, mclam@mail.ru

D. S. Prokhorenkov

Email: bstu-cvt-sem@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6455-8172
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 46 Kostyukova st., Belgorod, 308012, Russian Federation, bstu-cvt-sem@yandex.ru

M. S. Lebedev

Email: michaell1987@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3194-9238
Ph.D. (Engineering), Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 46 Kostyukova st., Belgorod, 308012, Russian Federation, michaell1987@yandex.ru

A. S. Churikov

Email: churikov.toni@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1829-2676
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 46 Kostyukova st., Belgorod, 308012, Russian Federation, churikov.toni@mail.ru

A. L. Danshin

Email: aldans@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-6998-8241
JSC “Shebekinsky Machine-Building Plant”, 11 Oktyabrskaya st., Shebekino, 309290, Russian Federation, aldans@mail.ru

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».