5. Analysis of technologies for applying heat-resistant coatings based on refractory metal silicides in rocket and space technologies

5. Analysis of technologies for applying heat-resistant coatings based on refractory metal silicides in rocket and space technologies

Date of receipt of the article for publication: 31.08.2026

Date of acceptance of the article for publication after review: 30.09.2026

Date of publication: 02.11.2026

ISSN: 2617-5525

e-ISSN: 2617-5533

Автори: Nadtoka V. M., Husarova I. O., Kraieva V. S.

Organization: Yuzhnoye State Design Office, Dnipro, Ukraine

ORCID authors:

Nadtoka V. M. ORCID, Husarova I. O. ORCID, Kraieva V. S. ORCID

Page: Kosm. teh. Raket. vooruž. 2026, (1); 37-48

Language: Ukrainian

Annotation: The article discusses that increasing the specifi c impulse of contemporary aerospace propulsion systems is feasible by raising combustion chamber operating temperatures via an excluded curtain or water cooling. The authors provide an analytical review of advanced heat-resistant coatings based on molybdenum disilicide (MoSi2 ) and refractory metal silicides, which are considered promising candidates for protecting uncooled combustion chambers of liquid rocket engines manufactured from niobium alloys. The thermodynamic and kinetic mechanisms of high-temperature gas corrosion at temperatures of 1,200 to 1,700 °C are examined, with particular attention to the formation of protective glassy SiO2 fi lms. The principal causes of silicide layer degradation and failure are identifi ed as: (i) the development of microcracks resulting from signifi cant mismatches in thermal expansion coeffi cients between the SiO2 fi lm and the metallic substrate, and (ii) the intensive evaporation of silicon in the form of volatile oxides (SiO) at temperatures exceeding 1,800 °C. The article emphasizes that coating failure parameters depend on composition and microstructural characteristics defi ned by deposition techniques and service conditions. Consequently, developing novel MoSi2-based coating technologies that can operate at 1,700–1,800 °C for extended periods is recognized as a critical and timely research objective. The article comparatively evaluates classical and modern deposition methods, including slurry, diff usion, plasma, and thermal spraying. The vacuum-arc deposition technique is highlighted as particularly promising because it signifi cantly enhances substrate adhesion through a high degree of plasma fl ow ionization. Additionally, the paper analyzes eff ective strategies to mitigate the brittleness of refractory metal silicide cathodes, including arched magnetic fi elds, multicomponent powder targets, and implementation of advanced spark-plasma sintering methods. The fi ndings confi rm the feasibility of developing vacuum-arc technologies to produce durable MoSi2 -based heat-resistant coatings, thereby ensuring reliable protection of niobium alloy combustion chambers in liquid rocket engines.

Key words: rocket and space technology, combustion chamber, niobium alloys, heat-resistant coatings, molybdenum disilicide, silicides, vacuum-arc deposition

Bibliography:

1. Shine S. R., Nidhi S. S. Review on film cooling of liquid rocket engines. Propulsion and Power Research. 2018. Vol. 7, Iss. 1. P. 1–18. https://doi.org/10.1016/j.jppr.2018.01.004
2. Henderson S., Stechman C., Wierenga K., Miller S., Liou L., Alexander L., Dankanich J. Performance Results for the Advanced Materials Bipropellant Rocket (AMBR) Engine. 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit (25–28 July, 2010, Nashville, TN, USA). Nashville, 2010. Art. 2010-6883. https://doi.org/10.2514/6.2010-6883
3 Zmii V. I., Rudenkii S. G. Reaktsyonnoaktivirovannaia diff uziia i vakuumnyie pokrytiia : monografi ia. Kharkov : NNTs KhFTI, 2010. 158 s.
4. Tabaru T., Kim J.-H., Shobu K., Sakamoto M., Hirai H., Hanada S. Development of Mo-(Si,Al)2-base Oxidation-Resistant Coating on Nb-base Structural Materials. Metallurgical and Materials transactions. A. 2005. Vol. 36, Iss. 3. Р. 617–626. https://doi.org/10.1007/s11661-005-0177-1
5. Liu Y., Kramer M. J., Thom A. J., Akinc M. Oxidation behavior of multiphase Nb-Mo-Si-Bintermetallics. Metallurgical and Materials transactions. A. 2005. Vol. 36, Iss. 3. Р. 601–607. https://doi.org/10.1007/s11661-005-0175-3
6. Wang X., Xing K., Li Q., Yang T. Oxidation behavior and interfacial microstructure evolution of MoSi2/MoB coatings on Mo substrate at 600 and 1 400°C. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2023. Vol. 113. Art. 106189. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2023.106189
7. Litovchenko S. V., Beresnev V. M., Drobyshevskaia A. A., Turbin P. V. Silitsydnyie pokrytiia na molibdene: polucheniie, struktura, svojstva. Fizychna inzheneriia poverhni. 2012. T. 10, № 2. S. 110–137.
8. Харченко С. Д., Ковтун С. І. Жаростійкі покриття та перспективи їх використання для подовження ресурсу енергетичного обладнання (огляд). Теплофізика та теплоенергетика. 2021. Т. 43, № 3. С. 78–84. https://doi.org/10.31472/ttpe.3.2021.10
9. Astapov A. N., Terentieva V. S. Review of Home-Grown Technologies in the Field of Protection of Carbon-bearing Materials from Gaseous Corrosion and Erosion in Plasma’s High-Speed Flow. Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya I Funktsional’nye Pokrytiya. 2014. № 4. Р. 50–70. https://doi.org/10.17073/1997-308x-2014-4-50-70
10. Yang W., Zhang Y., Lei S., Mo Q., Ling K., Lv X., Zhao X., Li W. Formation and hot corrosion behavior of MoSi2/NbSi2 composite coating on Nb-based alloys by combined electrodeposition and HAPC processes. Journal of Alloys and Compounds. 2021. Vol. 887. Art. 161365. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161365
11. Szajna E., Moskal G., Stryczniewicz W., Kozłowska A., Leśniewska-Matys K., Malinowska A., Tomaszewska A., Trzcionka-Szajna A., Mikuśkiewicz M., Szymański K.Microstructure and high-temperature oxidation behavior of MoSi2 protective coatings on Mobased combustion chamber in rocket engines. Surface and Coatings Technology. 2023. Vol. 473. Art. 129896. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2023.129896
12. Zhu L., Wang X., Ren X., Zhang P., Feng P. Recycling MoSi2 heating elements for preparing oxidation resistant multilayered coatings. Journal of European Ceramic Society. 2022. Vol. 42, Iss. 3. Р. 921–934. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.11.031
13. Tsyrlin M. S., Kasaykin A. V., Plavnik G. M., Vechkanov V. N. Vliianiie palladiia na formirovaniie i zashchitnyie svoistva molibdenkremniievykh pokrytii na niobii. Poroshkovaia metallurgiia. 1982. № 1. S. 26–32.
14. Литовченко С. В., Нечипоренко Є. П., Чишкала В. А. та ін. Дослідження особливостей фазоутворення в системі кремній-молібден. ВАНТ. Серія: Вакуум, чисті метали, надпровідники. 1998. Вип. № 6(7), 7(8). С. 239–241.
15. Movchan B. A., Malashenko I. S. Zharostoikiie pokrytiia, osazhdaiemyie v vakuume : monografi ia. Kiiev : Naukova dumka, 1983.232 s.
16. Zelikman G. A. Tonkiie plenki silitsydov tugoplavkikh metallov. TsNII Elektronika, 1986. Ch. 1. Svoistva i metody obrazovaniia plenok silitsydov. 55 s. (Obzory po electronnoi tekhnike. Seriia 2. Poluprovodnikovyie pribory. Vypusk 1 (1178)).
17. Shtinov Ye. D., Glebovskii V. G., Motuzenko V. P. Polucheniie tonkikh plenok silitsydov tugoplavkikh metallov raspyleniiem litykh kompozitnykh mishenei. Perspektivnyie materialy. 2008. № 1. S. 74–78.
18. Васильєв В. В., Лучанінов О. А., Решетняк О. М., Стрельницький В. Є., Толмачова Г. М., Прибитков Г. А., Гурських А. В., Криницин М. Г. Застосування порошкових катодів для осадження покриттів Ti-Si-Nі3 фільтрованої вакуумно-дугової плазми. Фізична інженерія поверхні. 2015. Т. 13, № 2. С. 78–83.
19. Li L., Guo X., Qiao Y. Formation and oxidation resistance of MoSi2 coating for Nb-Si based alloy prepared by slurry sintering method. Journal of Alloys and Compounds. 2023. Vol. 938. Art.168456. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.168456
20. Borisenko A. I., Khashkovskii S. V. Zashchita izdelii iz niobiievykh splavov ot vysokotemperaturnoi gazovoi korrozii. 1986. 40 s.
21. Дзядикевич Ю., Кицкай Л. Композиційне покриття для захисту ніобію і танталу від окиснення. Вісник Тернопільського державного технічного університету. 2005.Т. 10, № 3. С. 45–50. URL: http://elartu.tntu.edu.ua/handle/lib/41573
22. Хімічна корозія та захист металів : навч. посіб. / П. І. Стоєв, С. В. Литовченко, І. О. Гірка, В. Т. Грицина. Харків : ХНУ ім. В. Н. Каразіна, 2020. 216 с.
23. Okovityi V. A., Panteleienko F. I., Okovityi V. V., Astashynskii V. M. Optimizatsiia protsessa naneseniia pokrytii iz poroshkov metallokeramiki metodom plazmennogo napyleniia na vozdukhe. Nauka i tekhnika. 2021. T. 20, № 5. S. 369–374. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2021-20-5-369-374
24. Meghwal A., Anupam A., Murty B. S., Berndt C. C., Kottada R. S., Ang A. S. M. Thermal spray high-entropy alloy coatings: a review. Journal of Thermal Spray Technology. 2020. Vol. 29, Iss. 5. P. 857–893. https://doi.org/10.1007/s11666-020-01047-0
25. Lei S., Liu J., Liu D., Zhang K., Yang R., Yan Z., Zhang X., Li W. Diff usion barrier eff ect of Ta or TaSi2 layer at the MoSi2/Nbbased alloy interface. Corrosion Science. 2023. Vol. 216. Art. 111090. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2023.111090
26. Ehiasarian A. Р. High-power impulse magnetron sputtering and its applications. Pure and Applied Chemistry. 2010. Vol. 82, Iss. 6. Р. 1247–1258. https://doi.org/10.1351/pac-con-09-10-43
27. Азарєнков М. О., Литовченко С. В., Береснєв В. М., Чишкала В. А., Велієв Ю. І. Конденсація силіцидних плівок із чистих компонентів. Питання атомної науки і техніки. 2014. № 1. С. 180–183.
28. Andreiev A. A., Sablev L. P., Grigoriev S. N. Vakuumno-dugovyie pokrytiia. Kharkov : NNTs «KhFTI», 2010. 318 s.
29. Шулаєв В. М., Андрєєв А. А., Столбовий В. О., Прибитков Г. А., Гурських А. В., Коростелева Е. Н., Коржова В. В. Вакуумно-дугове осадження наноструктурних Ti-Si-N покриттів з багатокомпонентної плазми. Фізична інженерія поверхні. 2008. Т. 6, № 1–2, С. 105–113.
30. Dukhopelnikov D. V., Kirillov D. V. Evaporation of polycrystalline silicaaluminium cathode in cathodic arc vacuum discharge. Izvestiya vuzov. Fizika. 2019. Т. 62, № 11. С. 68–74. https://doi.org/10.17223/00213411/62/11/68
31. Ivanov I. A., Slutsky A. G., Scheinert V. A., Ivanov A. I., Bely A. N. Production of target cathodes from composite silicides for applying protective coatings using casting and deformation technologies. Litiyo I Metallurgiya. 2021. № 2. С. 68–75. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2021-2-68-75
32. Arianpour F., Golestanifard F., Rezaie H., Mazaheri M., Celik A., Kara F., Fantozzi G. Processing, phase evaluation and mechanical properties of MoSi2 doped 4TaC–HfC based UHTCs consolidated by spark plasma sintering. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2016. Vol. 56. Р. 1–7. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2015.11.011