kaz44Вестник Университета Шакарима. Серия технические наукиBulletin of Shakarim University. Technical Sciences2788-79953006-0524«Шәкәрім университеті» КеАҚ10.53360/2788-7995-2026-1(21)-59kaz44-2317Research ArticleТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОКРЫТИЙ ZRCN ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПАРАМЕТРОВ HVOF-ПРОЦЕССАSTUDY OF STRUCTURAL-PHASE CHARACTERISTICS OF ZrCN COATINGS UNDER THE INFLUENCE OF HVOF PROCESS PARAMETERShttps://orcid.org/0000-0001-5510-0568КурбанбековШ. Р.KurbanbekovSh. R.

Шерзод Рустамбекович Курбанбеков – директор НИИ «Естественные науки, нанотехнологии и новые материалы» 

161200, Туркестан, ул. Б. Саттарханова, 29

Sherzod Rustambekovich Kurbanbekov – Director of the SRI «Natural Sciences, Nanotechnology and New Materials» 

161200, Turkestan, B. Sattarkhanova str., 29

sherzod.kurbanbekov@ayu.edu.kzhttps://orcid.org/0009-0000-4153-0874ПатчахановД. Р.PatchakhanovD. R.

Дияр Равшанулы Патчаханов – кафедра физики, студент 

161200, Туркестан, ул. Б. Саттарханова, 29

Diyar Ravshanuly Patchakhanov – Department of Physics, student 

161200, Turkestan, B. Sattarkhanova str., 29

itsxxdi@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0001-6794-1281КамбарбековС. Х.KambarbekovS. Kh.

Сардор Хуснутдинович Камбарбеков – докторант 1-го курса 

070016, Усть-Каменогорск, ул. 30-й Гвардейской Дивизии, 36

Sardor Khusnutdinovich Kambarbekov – First-year doctoral student 

070016, Ust-Kamenogorsk, 30th Guards Division Street, 36

sardor.kambarbekov@ayu.edu.kzhttps://orcid.org/0009-0002-9267-7029КалдарБ. С.KaldarB. S.

Берик Калдар – младший научный сотрудник 

161200, Туркестан, ул. Б. Саттарханова, 29

Berik Kaldar – Junior Researcher 

161200, Turkestan, B. Sattarkhanova str., 29

berik.kaldar@ayu.edu.kzМеждународный казахско-турецкий университет имени Х.А. ЯсавиКазахстанKhoja Akhmet Yassawi International Kazakh-Turkish UniversityKazakhstanВосточно-Казахстанский университет имени Сарсена АманжоловаКазахстанSarsen Amanzholov East Kazakhstan UniversityKazakhstan20262505202611(21)538547Copyright © Курбанбеков Ш.Р., Патчаханов Д.Р., Камбарбеков С.Х., Калдар Б.С., 20262026Курбанбеков Ш.Р., Патчаханов Д.Р., Камбарбеков С.Х., Калдар Б.С.Kurbanbekov S.R., Patchakhanov D.R., Kambarbekov S.K., Kaldar B.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tech.vestnik.shakarim.kz/jour/article/view/2317

В данном исследовании изучено влияние давления кислорода при высокоскоростном кислородно-топливном напылении (HVOF) на формирование и структурнофазовые характеристики покрытий ZrCN, нанесённых на сталь 65Г. Покрытия получали на установке «Termika-3» при фиксированных параметрах подачи топлива, воздуха и расстояния напыления, давление кислорода в диапазоне 4,0-4,5 бар. По результатам рентгенофазового анализа установлено, что основная матрица покрытий представлена твёрдым раствором Zr(C,N) с гранецентрированной кубической решёткой (Fm-3m). Повышение давления O2 вызывает частичное термическое разложение ZrCN с образованием фаз ZrC, ZrN и оксидных соединений ZrO2. Отмечено насыщение покрытия кислородом, измельчение зёрен и увеличение параметра решётки. Микротвёрдость покрытий (a-c) достигает 1512-1857 HV, что соответствует примерно пятикратному росту относительно исходного образца. На основании полученных данных показано, что регулирование давления кислорода в струе HVOF существенно влияет на фазовый состав, морфологию и качество адгезионных контактов, обеспечивая оптимальное сочетание твёрдости, пластичности и термостабильности.

This study investigates the effect of oxygen pressure during high-velocity oxy-fuel (HVOF) spraying on the formation and structural-phase characteristics of ZrCN coatings deposited on 65G steel. The coatings were produced using the Termika-3 system under fixed parameters of fuel, air flow, and spray distance, with oxygen pressure varied in the range of 4.0-4.5 bar. X-ray diffraction analysis revealed that the main coating matrix consists of a Zr(C,N) solid solution with a face-centered cubic lattice (Fm-3m). Increasing the O₂ pressure leads to partial thermal decomposition of ZrCN and the formation of ZrC, ZrN, and oxide phases such as t-ZrO2. Oxygen enrichment of the coatings results in grain refinement and lattice parameter expansion. The microhardness of the coatings (a-c) reaches 1512-1857 HV, which corresponds to an approximately fivefold increase relative to the initial sample. Based on the obtained results, it was shown that regulating the oxygen pressure in the HVOF jet significantly affects the phase composition, morphology, and adhesion quality, providing an optimal combination of hardness, ductility, and thermal stability.

HVOFпокрытие ZrCNсталь 65ГXRDSEMHVOFZrCN coating65G steelXRDSEMДанное исследование финансируется Комитетом науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан (грант № AP22787358)ReferencesMicrostructure and Mechanical Properties of ZrN, ZrCN and ZrC Coatings Grown by Chemical Vapor Deposition / F. Frank et al // Coatings. – 2021. – № 11(5). – Р. 491. https://doi.org/10.3390/coatings11050491.Microstructure and Mechanical Properties of ZrN, ZrCN and ZrC Coatings Grown by Chemical Vapor Deposition / F. Frank et al // Coatings. – 2021. – № 11(5). – R. 491. https://doi.org/10.3390/coatings11050491. (In English).Shishkin R.A. The study of physico-chemical transformations in the process of low-temperature synthesis of zirconium carbide / R.A. Shishkin, V.S. Kudyakova, N.V. Zhirenkina // NOVYE OGNEUPORY (NEW REFRACTORIES). – 2019. – № 2. – Р. 45-48. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2019-2-45-48.Shishkin R.A. The study of physico-chemical transformations in the process of low-temperature synthesis of zirconium carbide / R.A. Shishkin, V.S. Kudyakova, N.V. Zhirenkina // NOVYE OGNEUPORY (NEW REFRACTORIES). – 2019. – № 2. – R. 45-48. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2019-2-45-48. (In English).Electrochemical performance of TiCN coatings with low carbon concentration in simulated body fluid / Q. Wang et al // Surf. Coat. Technol. – 2014. – № 253. – Р. 199-204. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.05.037.Electrochemical performance of TiCN coatings with low carbon concentration in simulated body fluid / Q. Wang et al // Surf. Coat. Technol. – 2014. – № 253. – R. 199-204. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.05.037. (In English).Improving the Efficiency of Air Plasma Spraying of Titanium Nitride Powder / A. Kengesbekov et al // Coatings. – 2022. – № 12(11). – 1644. https://doi.org/10.3390/coatings12111644.Improving the Efficiency of Air Plasma Spraying of Titanium Nitride Powder / A. Kengesbekov et al // Coatings. – 2022. – № 12(11). – 1644. https://doi.org/10.3390/coatings12111644. (In English).Preparation and Characterization of NiCr/NiCr-Al₂O₃/Al₂O₃ Multilayer Gradient Coatings by Gas Detonation Spraying / B. Rakhadilov et al // Coatings. – 2021. – № 11(12). – Р. 1524. https://doi.org/10.3390/coatings11121524.Preparation and Characterization of NiCr/NiCr-Al₂O₃/Al₂O₃ Multilayer Gradient Coatings by Gas Detonation Spraying / B. Rakhadilov et al // Coatings. – 2021. – № 11(12). – R. 1524. https://doi.org/10.3390/coatings11121524. (In English).Development and Studying of the Technology for Thermal Spraying of Coatings Made from Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylene / M. Skakov et al // Coatings. – 2023. – № 13(4). – Р. 698. https://doi.org/10.3390/coatings13040698.Development and Studying of the Technology for Thermal Spraying of Coatings Made from Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylene / M. Skakov et al // Coatings. – 2023. – № 13(4). – R. 698. https://doi.org/10.3390/coatings13040698. (In English).Oksa M. Nickel- and iron-based HVOF thermal spray coatings for high temperature corrosion protection in biomass-fired power plant boilers / M. Oksa // Dissertation. Aalto University, 2015. https://publications.vtt.fi/pdf/science/2015/S74.pdf.Oksa M. Nickel- and iron-based HVOF thermal spray coatings for high temperature corrosion protection in biomass-fired power plant boilers / M. Oksa // Dissertation. Aalto University, 2015. https://publications.vtt.fi/pdf/science/2015/S74.pdf. (In English).Tan J.C. Optimisation of the HVOF thermal spray process for coating, forming and repair of components. Doctoral dissertation, Dublin City University, 1997.Tan J.C. Optimisation of the HVOF thermal spray process for coating, forming and repair of components. Doctoral dissertation, Dublin City University, 1997. (In English).Процессы формирования газотермических покрытий и их моделирование. Минск: Беларус. наука, 2011. – 357 с.Protsessy formirovaniya gazotermicheskikh pokrytii i ikh modelirovanie. Minsk: Belarus. nauka, 2011. – 357 s. (In Russian).Harrison R. Processing and Characterisation of ZrCxNy Ceramics as a Function of Stoichiometry via Carbothermic Reduction-Nitridation / R. Harrison // Doctoral dissertation, Imperial College London, 2015.Harrison R. Processing and Characterisation of ZrCxNy Ceramics as a Function of Stoichiometry via Carbothermic Reduction-Nitridation / R. Harrison // Doctoral dissertation, Imperial College London, 2015. (In English).Larijani M.M. The effect of carbon fraction in Zr(C,N) films on the nano-structural properties and hardness / M.M. Larijani, M.B. Zanjanbar, A. Majdabadi // Journal of Alloys and Compounds. – 2010. – № 492(1-2). – Р. 735-738.Larijani M.M. The effect of carbon fraction in Zr(C,N) films on the nano-structural properties and hardness / M.M. Larijani, M.B. Zanjanbar, A. Majdabadi // Journal of Alloys and Compounds. – 2010. – № 492(1-2). – R. 735-738. (In English).Матренин С.В. Структура и физико-механические свойства керамики на основе ZrCN / С.В. Матренин, Е.Д. Кузьменко // Инновационные технологии в машиностроении: сб. трудов XV Международной научно-практической конференции. Томск: ТПУ, 2024. С. 13-15.Matrenin S.V. Struktura i fiziko-mekhanicheskie svoistva keramiki na osnove ZrCN / S.V. Matrenin, E.D. Kuz'menko // Innovatsionnye tekhnologii v mashinostroenii: sb. trudov XV Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. Tomsk: TPU, 2024. S. 13-15. (In Russian).Carbides of transition metals: Properties, application and production. Review / Yu.L. Krutskii et al // Part 2. Chromium and zirconium carbides. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. – 2023. – № 66(4). – Р. 445-458. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2023-4-445-458.Carbides of transition metals: Properties, application and production. Review / Yu.L. Krutskii et al // Part 2. Chromium and zirconium carbides. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. – 2023. – № 66(4). – R. 445-458. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2023-4-445-458. (In English).Ul-Hamid A. Synthesis, microstructural characterization and nanoindentation of Zr, Zr-nitride and Zr-carbonitride coatings deposited using magnetron sputtering / A. Ul-Hamid // Journal of Advanced Research. – 2021. – № 29. – Р. 107-119.Ul-Hamid A. Synthesis, microstructural characterization and nanoindentation of Zr, Zr-nitride and Zr-carbonitride coatings deposited using magnetron sputtering / A. Ul-Hamid // Journal of Advanced Research. – 2021. – № 29. – R. 107-119. (In English).Марков Ю.М. Получение карбонитрида циркония в режиме СВС-Аз / Ю.М. Марков // Современные материалы, техника и технологии. – 2017. – № 6 (14). – Р. 88-93.Markov YU.M. Poluchenie karbonitrida tsirkoniya v rezhime SVS-Az / YU.M. Markov // Sovremennye materialy, tekhnika i tekhnologii. – 2017. – № 6 (14). – R. 88-93. (In Russian).Матренин С.В. Структура и физико-механические свойства керамики на основе ZrCN / С.В. Матренин, Е.Д. Кузьменко // Инновационные технологии в машиностроении: сборник трудов XV Международной научно-практической конференции, г. Юрга, 23-25 мая 2024 г. – Р. 13-15.Matrenin S.V. Struktura i fiziko-mekhanicheskie svoistva keramiki na osnove ZrCN / S.V. Matrenin, E.D. Kuz'menko // Innovatsionnye tekhnologii v mashinostroenii: sbornik trudov XV Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, g. Yurga, 23-25 maya 2024 g. – R. 13-15. (In Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.