The Effect of Laser Processing on the Structure and Microhardness of a Zro2-Based Thermal Barrier Coating

N. B. Pugacheva; A. E. Trokhacheva; T. M. Kryuchkova; I. S. Bakhteev

doi:10.17804/2410-9908.2025.5.039-052

N. B. Pugacheva, A. E. Trokhacheva, T. M. Kryuchkova, I. S. Bakhteev

THE EFFECT OF LASER PROCESSING ON THE STRUCTURE AND MICROHARDNESS OF A ZrO2-BASED THERMAL BARRIER COATING

DOI: 10.17804/2410-9908.2025.5.039-052

The paper studies the effect of laser processing conditions at powers ranging between 90 and 150 W on a thermal barrier coating consisting of an Y2O3-stabilized ZrO2 outer layer and a NiCrAl metal substrate. The coating is sprayed on the 20Kh4FA steel. Scanning electron microscopy, energy dispersive analysis of the chemical composition of the coating, profilometry, and surface microhardness study were used in the research. The study of the structure, chemical element distribution, microhardness, and surface roughness of the thermal barrier coating has revealed that the laser processing of the surface causes partial melting of the ceramic layer to different depths, depending on laser power. A radiation power of 100 W proves to have the best effect on the state of the ceramic outer layer of the coating; namely, the hardness reaches 953 HV 0.030, there are no Cr, Ni or Fe on the surface, this being indicative of the soundness of the ZrO2+Y2O3 layer. The surface roughness of this coating is the lowest, 7.5 µm. When the processing power exceeds 100 W, there are Cr, Ni, and Fe on the surface; this indicates the presence of defects in the coating and has a detrimental effect on its thermal barrier properties. Besides, a relation has been found between the microhardness and thickness of the preserved metal substrate; namely, the microhardness increases as the substrate thickness decreases.

Acknowledgement: The work was performed under the state assignment for the IES UB RAS, theme No. 124020700063-3. The equipment of the Plastometriya shared research facilities, IES UB RAS, was used for the research.

Keywords: plasma thermal barrier coating, fiber laser, laser processing, structure, microhardness, surface roughness

References:

Kolomytsev, P.G. Gazovaya korroziya i prochnost nikelevykh splavov [Gas Corrosion and Strength of Nickel Alloys]. Metallurgiya Publ., Moscow, 1984, 215 p. (In Russian).
Abraimov, N.V. and Eliseev, V.S. Khimiko-termicheskaya obrabotka zharoprochnykh staley i splavov [Thermochemical Treatment of Heat-Resistant Steel and Alloys]. Intermet Inzhiniring Publ., Moscow, 2001, 622 p. (In Russian).
Guzanov, B.N., Kositsyn, S.V., and Pugacheva, N.B. Uprochnyayushchie zashchitnye pokrytiya v mashinostroenii [Strengthening Protective Coatings in Mechanical Engineering]. UrO RAN Publ., Ekaterinburg, 2004, 244 p. (In Russian).
Smirnov, Yu.G., Lebedeva, M.A., Kositsyn, S.V., Guzanov, B.N., and Sorokin, V.G. Studying the damageability of slip silipide-alumina coatings on aircraft GTE turbine blades under operation. Aviatsionnaya Promyshlennost, 1988, 1, 68–71. (In Russian).
Stepanova, N.N., Davydov, D.I., Nichipuruk, A.P., Rigmant, M.B., Kazantseva, N.V., Vinogradova, N.I., Pirogov, A.N., and Romanov, E.P. The structure and magnetic properties of a heat-resistant nickel-base alloy after a high-temperature deformation. The Physics of Metals and Metallography, 2011, 112, 309–317. DOI: 10.1134/S0031918X11030288.
Pugacheva, N.B. Current trends in the development of heat-resistant coatings based on iron, nickel and cobalt aluminides. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2015, 3, 51–82. DOI: 10.17804/2410-9908.2015.3.051-082. Available at: http://dream-journal.org/issues/2015-3/2015-3_30.html
Devoino, O.G. and Okovity, V.V. Plasma thermal barrier coatings based on zirconium dioxide with high thermal stability. Nauka i Tekhnika, 2015, 1, 35–39. (In Russian).
Kashin, D.S. and Stekhov, P.A. Modern thermal barrier coatings obtained by electron-beam physical vapor deposition (review). Trudy VIAM, 2018, 2 (62), 84–90. (In Russian). DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-2-10-10.
Sahith, M.S., Giridhara, G., and Kumar, R.S. Development and analysis of thermal barrier coatings on gas turbine blades – a review. Materials Today: Proceedings, 2018, 5 (1), part 3, 2746–2751. DOI: 10.1016/j.matpr.2018.01.060.
Shelyagin, V.D., Haskin, V.Yu., Grishchenko, A.P., Siora, A.V., and Bernatskiy, A.V. Lazer modification of plasma-applied coatings. Vestnik Dvigatelestroeniya, 2009, 2, 69–72. (In Russian).
Guzanov, B.N., Pugacheva, N.B., and Bykova, T.M. Erosion resistance of a combined multilayer coating protecting critical parts of modern gas turbine engines. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2021, 2, 6–21. DOI: 10.17804/2410-9908.2021.2.006-021. Available at: http://dream-journal.org/issues/2021-2/2021-2_317.html
Pakseresht, H., Saremi, M., Omidvar, H., and Alizadeh, М. Micro-structural study and wear resistance of thermal barrier coating reinforced by alumina whisker. Surface and Coatings Technology, 2019, 336, 338–348. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.03.059.
Yaresko, S.I. and Antoshin, I.A. Laser modification of ceramic gas-thermal coatings. Izvestiya Sanarskogo Nauchnogo Tsentra RAN, 2024, 4 (2), 281–288. (In Russian). DOI: 10.37313/1990-5378-2024-26-4(2)-281-288.
Pankov, V.P., Babayan, A.L., Kulikov, M.V., Kossoy, V.A., and Varlamov, B.S. Heat-protective coatings for turbine blades of aircraft gas turbine engines. Polzunovskiy Vestnik, 2021, 1, 161‒172. (In Russian). DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2021.01.023.
Okovity, V.V. Devoino, O.G., Okovity, V.A., and Astashinsky, V.M. Technological peculiarities in formation of thermal barrier coatings based on zirconium dioxide. Nauka i Tekhnika, 2016, 15 (3), 193–199. (In Russian). DOI: 10.21122/2227-1031-2016-15-3-193–199.
Fedorov, P.P. and Yarotskaya, E.G. Zirconium dioxide. Review. Condensed Matter and Interphases, 2021, 23 (2), 169–187. DOI: 10.17308/kcmf.2021.23/3427.
Chen, M., Hallstedt, B. and Gauckler, L.J. Thermodynamic modeling of the ZrO₂–YO_1.5 system. Solid State Ionics, 2004, 170 (3–4), 255–274. DOI: 10.1016/j.ssi.2004.02.017.
Haines, J., Léger, J.M., and Atouf, A. Crystal structure and equation of state of cotunnite-type zirconia. Journal of the American Ceramic Society, 1995, 78 (2), 445–448. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1995.tb08822.x.
Gorelov, V.P. High-temperature phase transitions in ZrO₂. Physics of the Solid State, 2019, 61, 1288–1293. DOI: 10.1134/S1063783419070096.
Subbarao, E.C. Zirconia – an overview. In: Science and Technolgy of Zirconia, American Ceramic Society, Westerville, Ohio, 1981, vol. 3. pp 1–24.
Chevalier, J., Gremillard, L., Virkar, A.V., and Clarke, D.R. The tetragonal-monoclinic transformation in zirconia: lessons learned and future trends. Journal of the American Ceramic Society, 2009, 92 (9), 1901–1920. DOI: 10.1111/J.1551-2916.2009.03278.X.
Tani, E., Yoshimura, M., and Somiya, S. Revised phase diagram of the system ZrO_2–CeO₂ below 1400°C. Journal of the American Ceramic Society, 1983, 66 (7), 506–510.
Bocanegra-Bernal, M.H. and De La Torre, S.D. Phase transitions in zirconium dioxide and related materials for high performance engineering ceramics. Journal of Materials Science, 2002, 37, 4947–4971. DOI: 10.1023/A:1021099308957.
Fujimori, H., Yashima, M., Kakihana, M., and Yoshimura, M. β-cubic phase transition of scandia-doped zirconia solid solution: calorimetry, X-ray diffraction, and Raman scattering. Journal of Applied Physics, 2002, 91 (10), 6493–6498. DOI: 10.1063/1.1471576.
Degtyarev, S.A. and Voronin, G.F. Calculation of the phase diagram in the ZrO₂–Y₂O₃ system. Zhurnal Fizicheskoi Khimii, 1987, 61 (3), 617–622. (In Russian).

Н. Б. Пугачева, А. Э. Трохачева, Т. М. Крючкова, И. С. Бахтеев

ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И МИКРОТВЕРДОСТЬ ТЕРМОБАРЬЕРНОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ZrO2

Исследовано влияние режимов лазерной обработки в интервале мощности 90–150 Вт на термобарьерное покрытие, состоящее из внешнего слоя ZrO2, стабилизированного Y2O3, и металлической подложки NiCrAl, напыленное на сталь марки 20ХН4ФА. Исследование проведено с помощью сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионного анализа химического состава покрытия, с применением профилометрии и изучения микротвердости поверхности. В ходе исследования структуры, распределения химических элементов, микротвердости и шероховатости поверхности термобарьерного покрытия установлено, что лазерная обработка поверхности приводит к частичному оплавлению керамического слоя на различную глубину в зависимости от мощности лазера. Выявлено, что мощность излучения 100 Вт оказывает наилучшее влияние на состояние внешнего керамического слоя покрытия: твердость достигает 953 HV 0,030, а на поверхности отсутствуют Cr, Ni и Fe, что свидетельствует о бездефектности слоя ZrO2 + Y2O3. Шероховатость поверхности этого покрытия минимальна и составляет 7,5 мкм. При обработке с мощностью выше 100 Вт на поверхности обнаруживаются Cr, Ni и Fe, что указывает на наличие дефектов в покрытии и негативно сказывается на его термобарьерных свойствах. Также выявлена зависимость между микротвердостью и толщиной сохраненного металлического подслоя: уменьшение толщины подслоя приводит к увеличению микротвердости.

Благодарность: Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН по госбюджетной теме № 124020700063-3.

Ключевые слова: плазменное термобарьерное покрытие, волоконный лазер, лазерная обработка, структура, микротвердость, шероховатость поверхности

Библиография:

Коломыцев П. Т. Газовая коррозия и прочность никелевых сплавов. – М. : Металлургия, 1984. – 215 с.
Абраимов Н. В., Елисеев Ю. С. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. – М. : Интермет Инжиниринг, 2001. – 622 с.
Гузанов Б. Н., Косицын С. В., Пугачева Н. Б. Упрочняющие покрытия в машиностроении. – Екатеринбург : УрО РАН, 2004. – 244 с.
Исследование повреждаемости шликерных алюмосилипидных покрытий в процессе эксплуатации лопаток авиационных ГТД / Ю. Г. Смирнов, М. А. Лебедева, Н. Б Вандышева., С. В. Косицын, Б. Н. Гузанов, В. Г. Сорокин // Авиационная промышленность. – 1988. – № 1. – C. 68–71.
The structure and magnetic properties of a heat-resistant nickel-base alloy after a high-temperature deformation / N. N. Stepanova, D. I. Davydov, A. P. Nichipuruk, M. B. Rigmant, N. V. Kazantseva, N. I. Vinogradova, A. N. Pirogov, E. P. Romanov // The Physics of Metals and Metallography. – 2011. – Vol. 112. – P. 309–317. – DOI: 10.1134/S0031918X11030288.
Pugacheva N. B. Current trends in the development of heat-resistant coatings based on iron, nickel and cobalt aluminides // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2015. – Iss. 3. – P. 51–82. – DOI: 10.17804/2410-9908.2015.3.051-082. – URL: http://dream-journal.org/issues/2015-3/2015-3_30.html
Девойно О. Г., Оковитый В. В. Плазменные теплозащитные покрытия на основе диоксида циркония с повышенной термостойкостью // Наука и техника. – 2015. – № 1. – C. 35–39.
Кашин Д. С., Стехов П. А. Современные теплозащитные покрытия, полученные методом электронно-лучевого напыления (обзор) // Труды ВИАМ. – 2018. – № 2 (62). – С. 84–90. – DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-2-10-10.
Sahith M. S., Giridhara G., Kumar R. S. Development and analysis of thermal barrier coatings on gas turbine blades – a review // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5 (1), part 3. – P. 2746–2751. – DOI: 10.1016/j.matpr.2018.01.060.
Лазерная модификация плазменнонанесенных покрытий / В. Д. Шелягин, В. Ю. Хаскин, А. П. Грищенко, А. В. Сиора, А. В. Бернацкий // Вестник двигателестроения. – 2009. – № 2. – C. 69–72.
Guzanov B. N., Pugacheva N. B., Bykova T. M. Erosion resistance of a combined multilayer coating protecting critical parts of modern gas turbine engines // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2021. – Iss. 2. – P. 6–21. – DOI: 10.17804/2410-9908.2021.2.006-021. – URL: http://dream-journal.org/issues/2021-2/2021-2_317.html
Micro-structural study and wear resistance of thermal barrier coating reinforced by alumina whisker / A. H. Pakseresht, M. Saremi, H. Omidvar, M. Alizadeh // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 366. – P. 338–348. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.03.059.
Яресько С. И., Антошин И. А. Перспективы лазерной постобработки керамических покрытий // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2024. – № 4 (2). – C. 281–288. – DOI: 10.37313/1990-5378-2024-26-4(2)-281-288.
Панков В. П., Бабаян А. Л., Куликов М. В. Теплозащитные покрытия лопаток турбин авиационных газотурбинных двигателей // Ползуновский вестник. ‒ 2021. – № 1. ‒ C. 161‒172. – DOI: 10.25712/astu.2072-8921.2021.01.023.
Технологические особенности формирования теплозащитных покрытий на основе диоксида циркония / В. В. Оковитый, О. Г. Девойно, В. А. Оковитый, В. М. Асташинский // Наука и техника. – 2016. – Т. 15 (3). – С. 193–199. – DOI: 10.21122/2227-1031-2016-15-3-193-199.
Fedorov P. P., Yarotskaya E. G. Zirconium dioxide. Review // Condensed Matter and Interphases. – 2021. – Vol. 23 (2). – P. 169–187. – DOI: 10.17308/kcmf.2021.23/3427.
Chen M., Hallstedt B., Gauckler L. J. Thermodynamic modeling of the ZrO2–YO1.5 system // Solid State Ionics. – 2004. – Vol. 170 (3–4). – P. 255–274. – DOI: 10.1016/j.ssi.2004.02.017.
Haines J., Léger J. M., Atouf A. Crystal structure and equation of state of cotunnite-type zirconia // Journal of the American Ceramic Society. – 1995. – Vol. 78 (2). – P. 445–448. – DOI: 10.1111/j.1151-2916.1995.tb08822.x.
Gorelov V. P. High-temperature phase transitions in ZrO₂// Physics of the Solid State. – 2019. – Vol. 61. – P. 1288–1293. – DOI: 10.1134/S1063783419070096.
Subbarao E. C. Zirconia – an overview // Science and Technolgy of Zirconia. – Westerville, Ohio : American Ceramic Society, 1981. – Vol. 3. – P. 1–24.
The tetragonal-monoclinic transformation in zirconia: lessons learned and future trends / J. Chevalier, L. Gremillard, A. V. Virkar, D. R. Clarke // Journal of the American Ceramic Society. – 2009. – Vol. 92 (9). – P. 1901–1920. – DOI: 10.1111/J.1551-2916.2009.03278.X.
Tani E., Yoshimura M., Somiya S. Revised phase diagram of the system ZrO_2–CeO₂ below 1400°C // Journal of the American Ceramic Society. – 1983. – Vol. 66 (7). – P. 506–510.
Bocanegra-Bernal M. H., De La Torre S. D. Phase transitions in zirconium dioxide and related materials for high performance engineering ceramics // Journal of Materials Science. – 2002. – Vol. 37. – P. 4947–4971. – DOI: 10.1023/A:1021099308957.
β-cubic phase transition of scandia-doped zirconia solid solution: calorimetry, X-ray diffraction, and Raman scattering / H. Fujimori, M. Yashima, M. Kakihana, M. Yoshimura // Journal of Applied Physics. – 2002. – Vol. 91 (10). – P. 6493–6498. – DOI: 10.1063/1.1471576.
Дегтярев С. А., Воронин Г. Ф. Расчет фазовой диаграммы в системе ZrO₂–Y₂O₃ // Журнал физической химии. – 1987. – C. 617–622.

Библиографическая ссылка на статью

The Effect of Laser Processing on the Structure and Microhardness of a Zro2-Based Thermal Barrier Coating / N. B. Pugacheva, A. E. Trokhacheva, T. M. Kryuchkova, I. S. Bakhteev // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2025. - Iss. 5. - P. 39-52. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2025.5.039-052. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2025-5/2025-5_533.html
(accessed: 18.04.2026).