RU2606815C2 - Способ нанесения теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония, на металлическую поверхность изделия - Google Patents

Способ нанесения теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония, на металлическую поверхность изделия Download PDF

Info

Publication number
RU2606815C2
RU2606815C2 RU2014108809A RU2014108809A RU2606815C2 RU 2606815 C2 RU2606815 C2 RU 2606815C2 RU 2014108809 A RU2014108809 A RU 2014108809A RU 2014108809 A RU2014108809 A RU 2014108809A RU 2606815 C2 RU2606815 C2 RU 2606815C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
zirconium oxide
metal
target
phase
sputtering
Prior art date
Application number
RU2014108809A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2014108809A (ru
Inventor
Олег Владимирович Стогней
Сергей Георгиевич Валюхов
Валерий Евгеньевич Бурыкин
Максим Сергеевич Филатов
Владимир Викторович Черниченко
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет"
Priority to RU2014108809A priority Critical patent/RU2606815C2/ru
Publication of RU2014108809A publication Critical patent/RU2014108809A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2606815C2 publication Critical patent/RU2606815C2/ru

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

Изобретение относится к напылению теплозащитных покрытий и может быть использовано в авиастроении и других областях машиностроения при производстве деталей турбинных двигателей и установок. Способ нанесения теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония, на металлическую поверхность изделия включает формирование на металлической поверхности композитной структуры металл-оксид при совместном распылении металлов, при этом получаемое покрытие из оксида циркония стабилизируют иттрием и создают градиентный переходный слой, содержащий две фазы в виде металлической фазы с составом, соответствующим составу защищаемой поверхности, и диэлектрической фазы, содержащей оксид циркония, стабилизированный иттрием, нанесенной на упомянутую металлическую фазу. Соотношение фаз в переходном слое изменяется с возрастанием доли оксидной фазы по мере увеличения толщины пленки. Для создания градиентного переходного слоя используют магнетронную систему с двумя магнетронами, причем при помощи первого магнетрона распыляют мишень из никелевого сплава, состав которого соответствует составу металлического изделия, а при помощи второго магнетрона распыляют мишень из циркония с добавками стабилизирующего элемента иттрия. Первоначальное распыление мишеней осуществляют в атмосфере аргона, при этом интенсивность атомного потока, сформированного от упомянутой первой мишени, превышает интенсивность атомного потока от упомянутой второй мишени. После формирования первичного сплошного слоя из никелевого сплава в рабочую камеру подают кислород для обеспечения реактивного распыления с образованием в напыляемой пленке оксида циркония при неокисленном никеле. В процессе напыления парциальное давление кислорода плавно увеличивают до давления 1,5⋅10-3 Па, а мощность первого магнетрона, распыляющего первую мишень из никелевого сплава, уменьшают вплоть до его полного отключения, после чего продолжают напыление оксида циркония до достижения пленкой из него требуемой толщины. При проведении указанных операций формируется плавный переход от упомянутого слоя из никелевого сплава к пленке из оксида циркония с механическими свойствами, плавно изменяющимися по толщине получаемого слоя, с обеспечением изотропного распределения внутренних напряжений при циклических термонагрузках. Обеспечивается механическая прочность покрытия, повышение его жаропрочности и жаростойкости, а также высокое значение адгезии и когезии.

Description

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к способам напыления теплозащитных покрытий, и может найти применение в авиастроении и других областях машиностроения при производстве деталей турбинных двигателей и установок, которые требуют формирования на рабочих поверхностях покрытий, имеющих достаточно высокое значение адгезии и когезии.
В настоящее время при создании покрытия с заданными свойствами методом послойного напыления образуются межфазные макроскопические границы в плоскостях, параллельных обрабатываемой поверхности, и при циклических термонагрузках разница в значениях коэффициентов термического расширения может привести к расслоению покрытия и его разрушению.
Известен способ напыления теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония на металлическую поверхность изделия, включающий формирование на металлической поверхности композитной структуры металл-оксид, при этом в получаемом покрытии создают градиентный переходный слой, содержащий две фазы - металлическую фазу и диэлектрическую фазу, содержащую оксид циркония, причем соотношение фаз в переходном слое изменяется с возрастанием доли оксидной фазы по мере увеличения толщины пленки (Патент РФ №2423550 С1, МПК 323С 28/00, 10.07.2011 - прототип).
Недостатком способа является возможность получения сквозной пористости, приводящей к коррозии подложки и к разрушению покрытия. Кроме этого, в процессе послойного напыления образуются межфазные границы в плоскостях, параллельных поверхности, и при циклических термонагрузках разница в значениях коэффициентов термического расширения может привести к расслоению покрытия и его разрушению.
Задачей предложенного технического решения является устранение указанных недостатков и создание способа нанесения теплозащитного композитного покрытия, применение которого позволит сформировать плавный переход от металлического материала к оксидному покрытию без межфазной границы макроскопического размера.
Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном способе нанесения теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония, на металлическую поверхность изделия, заключающемся в формировании на металлической поверхности композитной структуры металл-оксид при совместном реактивном распылении металлов, согласно изобретению получаемое покрытие из оксида циркония, стабилизируют иттрием и создают градиентный переходный слой, содержащий две фазы - металлическую фазу с составом, соответствующим составу защищаемой поверхности, и диэлектрическую фазу, содержащую оксид циркония, стабилизированный иттрием, нанесенную на упомянутую металлическую фазу, причем соотношение фаз в переходном слое изменяется с возрастанием доли оксидной фазы по мере увеличения толщины пленки, при этом для создания градиентного переходного слоя используют магнетронную систему с двумя магнетронами, причем при помощи первого магнетрона распыляют мишень из никелевого сплава, состав которого соответствует составу металлического изделия, а при помощи второго магнетрона распыляют мишень из циркония с добавками стабилизирующего элемента иттрия, причем первоначальное распыление мишеней осуществляют в атмосфере аргона таким образом, что интенсивность атомного потока, сформированного от первой никелевой мишени, превышает интенсивность атомного потока от циркониевой мишени, при этом после формирования первичного сплошного металлического слоя в рабочую камеру добавляют кислород и придают процессу распыления характер реактивного с образованием в напыляемой пленке оксида циркония при неокисленном никеле, при этом в процессе напыления парциальное давление кислорода плавно увеличивают до давления 1,5⋅10-3 Па, а мощность первого магнетрона, распыляющего первую мишень из никелевого сплава, уменьшают вплоть до его полного отключения, после чего продолжают напыление оксида циркония до достижения им требуемой толщины, при этом формируют плавный переход от металлического материала к оксиду с механическими свойствами, плавно изменяющимися по толщине получаемого слоя, с обеспечением изотропного распределения внутренних напряжений при циклических термонагрузках.
Предложенный способ реализуется следующим образом.
Для повышения жаропрочности и жаростойкости композитных покрытий из оксида циркония, стабилизированного иттрием, напыляемого на металлические сплавы, создают переходной слой из градиентного нанокомпозитного материала, содержащего две фазы: металлическую фазу с составом, соответствующим составу защищаемой поверхности, и диэлектрическую фазу, собственно оксид циркония различной стехиометрии. Соотношение фаз в переходном слое обеспечивают не постоянным, а изменяют с возрастанием доли оксидной фазы по мере увеличения толщины пленки. В результате создания такого градиентного слоя формируется плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера.
Для создания указанного градиентного переходного слоя используется магнетронная система с двумя магнетронами. Первый магнетрон распыляет мишень, состав которой соответствует составу металлического изделия, а второй магнетрон распыляет мишень из циркония с добавками стабилизирующего элемента - иттрия.
Первоначальное распыление мишеней осуществляется в атмосфере аргона, причем интенсивность атомного потока, сформированного от никелевой мишени, превышает интенсивность атомного потока от циркониевой мишени. После формирования первичного сплошного металлического слоя в рабочую камеру добавляется кислород, после чего процесс напыления приобретает характер реактивного - в напыляемой пленке начинает образовываться оксид. В силу различных значений энергий связи в оксиде никеля и оксиде циркония в формирующемся покрытии происходит образование оксида циркония, в то время как никель остается неокисленным.
Таким образом, в результате одновременного напыления никелевого сплава и циркония в смешанной кислородно-аргонной атмосфере происходит напыление композитного материала металл-оксид. В процессе напыления парциальное давление кислорода плавно увеличивается до давления 1,5⋅10-3 Па, а мощность магнетрона, распыляющего металлический сплав, уменьшается вплоть до его полного отключения. После этого продолжается напыление оксида циркония до достижения им требуемой толщины.
В этом случае формируемый градиентный слой является не только композитным, но и наноструктурированным, поскольку характерные размеры включений каждой фазы составляют от единиц до нескольких десятков нанометров, в зависимости от объемной доли фазы.
Полученная наноструктурированность не только повышает механическую прочность покрытия, но и приводит к изотропному распределению внутренних напряжений при циклических термонагрузках, что повышает жаропрочность и жаростойкость покрытия.
Использование предложенного технического решения позволит создать способ нанесения теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония, на металлическую поверхность изделия, применение которого позволит сформировать плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера, что в конечном итоге позволит повысить механическую прочность покрытия и приведет к изотропному распределению внутренних напряжений при циклических термонагрузках, что позволит повысить жаропрочность и жаростойкость покрытия.

Claims (1)

  1. Способ нанесения теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония, на металлическую поверхность изделия, включающий формирование на металлической поверхности композитной структуры металл-оксид при совместном распылении металлов, отличающийся тем, что получаемое покрытие из оксида циркония стабилизируют иттрием и создают градиентный переходный слой, содержащий две фазы в виде металлической фазы с составом, соответствующим составу защищаемой поверхности, и диэлектрической фазы, содержащей оксид циркония, стабилизированный иттрием, нанесенной на упомянутую металлическую фазу, причем соотношение фаз в переходном слое изменяется с возрастанием доли оксидной фазы по мере увеличения толщины пленки, при этом для создания градиентного переходного слоя используют магнетронную систему с двумя магнетронами, причем при помощи первого магнетрона распыляют мишень из никелевого сплава, состав которого соответствует составу металлического изделия, а при помощи второго магнетрона распыляют мишень из циркония с добавками стабилизирующего элемента иттрия, причем первоначальное распыление мишеней осуществляют в атмосфере аргона, при этом интенсивность атомного потока, сформированного от упомянутой первой мишени, превышает интенсивность атомного потока от упомянутой второй мишени, а после формирования первичного сплошного слоя из никелевого сплава в рабочую камеру подают кислород для обеспечения реактивного распыления с образованием в напыляемой пленке оксида циркония при неокисленном никеле, при этом в процессе напыления парциальное давление кислорода плавно увеличивают до давления 1,5⋅10-3 Па, а мощность первого магнетрона, распыляющего первую мишень из никелевого сплава, уменьшают вплоть до его полного отключения, после чего продолжают напыление оксида циркония до достижения напыляемой из него пленкой требуемой толщины, при этом формируют плавный переход от упомянутого слоя из никелевого сплава к пленке из оксида циркония с механическими свойствами, плавно изменяющимися по толщине получаемого слоя, с обеспечением изотропного распределения внутренних напряжений при циклических термонагрузках.
RU2014108809A 2014-03-06 2014-03-06 Способ нанесения теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония, на металлическую поверхность изделия RU2606815C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014108809A RU2606815C2 (ru) 2014-03-06 2014-03-06 Способ нанесения теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония, на металлическую поверхность изделия

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014108809A RU2606815C2 (ru) 2014-03-06 2014-03-06 Способ нанесения теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония, на металлическую поверхность изделия

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014108809A RU2014108809A (ru) 2015-09-20
RU2606815C2 true RU2606815C2 (ru) 2017-01-10

Family

ID=54147408

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014108809A RU2606815C2 (ru) 2014-03-06 2014-03-06 Способ нанесения теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония, на металлическую поверхность изделия

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2606815C2 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2341587C2 (ru) * 2004-05-06 2008-12-20 Ппг Индастриз Огайо, Инк. Способ нанесения покрытия методом осаждения при магнетронном распылении в вакууме
WO2011036246A2 (de) * 2009-09-25 2011-03-31 Oerlikon Trading Ag, Truebbach Verfahren zur herstellung von kubischen zirkonoxidschichten
RU2423550C1 (ru) * 2009-11-30 2011-07-10 Общество с ограниченной ответственностью "Производственное предприятие Турбинаспецсервис" Теплозащитное покрытие для лопаток турбин и способ его получения
WO2012142422A1 (en) * 2011-04-13 2012-10-18 Rolls-Royce Corporation Interfacial diffusion barrier layer including iridium on a metallic substrate

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2341587C2 (ru) * 2004-05-06 2008-12-20 Ппг Индастриз Огайо, Инк. Способ нанесения покрытия методом осаждения при магнетронном распылении в вакууме
WO2011036246A2 (de) * 2009-09-25 2011-03-31 Oerlikon Trading Ag, Truebbach Verfahren zur herstellung von kubischen zirkonoxidschichten
RU2423550C1 (ru) * 2009-11-30 2011-07-10 Общество с ограниченной ответственностью "Производственное предприятие Турбинаспецсервис" Теплозащитное покрытие для лопаток турбин и способ его получения
WO2012142422A1 (en) * 2011-04-13 2012-10-18 Rolls-Royce Corporation Interfacial diffusion barrier layer including iridium on a metallic substrate

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014108809A (ru) 2015-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rezanka et al. Improved thermal cycling durability of thermal barrier coatings manufactured by PS-PVD
Hospach et al. Characteristics of ceramic coatings made by thin film low pressure plasma spraying (LPPS-TF)
Kim et al. Evaluation of functionally graded thermal barrier coatings fabricated by detonation gun spray technique
CN103290361B (zh) 施涂热障涂层的方法
Keyvani et al. An investigation on oxidation, hot corrosion and mechanical properties of plasma-sprayed conventional and nanostructured YSZ coatings
EP2281924A1 (en) Structually diverse thermal barrier coatings
RU2607055C2 (ru) Способ нанесения теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония, на металлическую поверхность изделия
Hou et al. Interdiffusion behavior of Mo-Si-B/Al2O3 composite coating on Nb-Si based alloy
JP2017197842A (ja) 多層遮熱コーティング系を形成するシステム及び方法
Liu et al. TiN, TiN gradient and Ti/TiN multi-layer protective coatings on Uranium
RU2606814C2 (ru) Теплозащитное нанокомпозитное покрытие и способ его формирования
RU2606815C2 (ru) Способ нанесения теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония, на металлическую поверхность изделия
JP2016500756A5 (ru)
RU2588973C2 (ru) Способ обработки рабочих поверхностей деталей лопастных машин
RU2588956C2 (ru) Способ обработки рабочих поверхностей газотурбинных установок
Zhao et al. Deposition of thick TiAlN coatings on 2024 AL/SiCp substrate by arc ion plating
RU2607677C2 (ru) Способ формирования на поверхности изделия из никелевого сплава композитного покрытия
RU2581546C2 (ru) Способ нанесения покрытия из оксида циркония на поверхность изделия из никелевого сплава
RU2591098C2 (ru) Способ нанесения композитного оксидного покрытия на металлическую поверхность
Zhang et al. Synthesis of TiN/Ti3Al composite coatings on Ti6Al4V alloy by plasma spraying and laser nitriding
RU2606826C2 (ru) Способ формирования на рабочей поверхности детали из никелевого сплава теплозащитного нанокомпозитного покрытия
RU2607056C2 (ru) Способ нанесения теплозащитного композитного покрытия
RU2588619C2 (ru) Наноструктурное композитное покрытие из оксида циркония
RU2591024C2 (ru) Способ обработки рабочих поверхностей деталей газотурбинных установок
Wang et al. Solid particle erosion behaviour of plasma-sprayed conventional and nanostructured Al2O3-13 wt% TiO2 ceramic coatings

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170307