RU2607056C2

RU2607056C2 - Method of applying thermal-protective composite coating

Info

Publication number: RU2607056C2
Application number: RU2014117430A
Authority: RU
Inventors: Олег Владимирович Стогней; Сергей Георгиевич Валюхов; Валерий Евгеньевич Бурыкин; Максим Сергеевич Филатов; Владимир Викторович Черниченко
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2017-01-10
Also published as: RU2014117430A

Abstract

FIELD: aviation.

SUBSTANCE: invention relates to spraying of heat shielding coating and can be used in aircraft engineering and other fields of industry in production of parts of turbine engines and plants. Method of applying thermal-protective composite coating containing zirconium oxide on surface of articles made from nickel alloy involves formation on surface of said article a composite gradient transition layer with a metal oxide structure and sputtering a zirconium oxide film to achieve required thickness. Formation of said gradient transition layer with a metal oxide structure is carried out by deposition of gradient transition layer containing metal phase based on nickel alloy, which corresponds to composition of said article surface, and a dielectric phase containing zirconium oxides of different stoichiometry, ratio of phases in gradient transition layer is varied with increase of share of oxide phase as film thickness increases. Method uses a magnetron system with two magnetrons, wherein first magnetron is used to sputter first target made from nickel alloy, and second magnetron is used to sputter second target made of zirconium with additives of stabilising elements. Gradient transition layer is formed by sputtering said targets. First, target sputtering is carried out in an argon atmosphere with provision of excess intensity atomic flux formed from said first target, over intensity of atomic flux from said second target with formation of solid metal layer. Method then includes sputtering in presence of oxygen with formation of zirconium oxide in sputtered film with non-oxidised nickel alloy. During sputtering, partial oxygen pressure is smoothly increased to 1.5⋅10^-3 Pa, and power of first magnetron, sputtering first target made from nickel alloy, is reduced up to its complete disconnection.

EFFECT: providing mechanical strength of coating, high heat resistance, as well as high adhesion and cohesion of coating on working surfaces of articles.

1 cl

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.The invention relates to the field of materials science, in particular to methods of spraying heat-protective coatings, and can find application in aircraft and other areas of mechanical engineering in the production of parts for turbine engines and installations that require the formation on the working surfaces of coatings having a sufficiently high value of adhesion and cohesion.

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.At present, when creating a coating with desired properties by the method of layer-by-layer spraying, macroscopic interphase boundaries are formed in planes parallel to the surface being treated, and under cyclic thermal loads, the difference in the values of thermal expansion coefficients can lead to delamination of the coating and its destruction.

Известен способ нанесения теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония, на поверхность изделия из никелевого сплава, включающий формирование на поверхности изделия из никелевого сплава композитного градиентного переходного слоя со структурой металл-оксид и напыление пленки оксида циркония до достижения ею требуемой толщины (BY 13516 С1, МПК С23С 4/04, 30.08.2010 - прототип).A known method of applying a heat-protective composite coating containing zirconium oxide to the surface of a nickel alloy product, comprising forming a composite gradient transition layer with a metal-oxide structure on the surface of a nickel alloy product and spraying a zirconium oxide film to achieve the desired thickness (BY 13516 C1, IPC С23С 4/04, 08/30/2010 - prototype).

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.The disadvantage of this method is the ability to obtain through porosity, leading to corrosion of the substrate and to the destruction of the coating. In addition, in the process of layer-by-layer deposition, interfacial boundaries are formed in planes parallel to the surface, and with cyclic thermal loads, the difference in the values of thermal expansion coefficients can lead to delamination of the coating and its destruction.

Задачей предложенного технического решения является устранение указанных недостатков и создание способа нанесения оксидного покрытия на металлическую поверхность, применение которого позволит сформировать плавный переход от металлического материала к оксидному покрытию без межфазной границы макроскопического размера.The objective of the proposed technical solution is to eliminate these drawbacks and create a method of applying an oxide coating on a metal surface, the use of which will form a smooth transition from a metal material to an oxide coating without a macroscopic interface.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном способе нанесения теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония, на поверхность изделия из никелевого сплава, включающем формирование на поверхности изделия из никелевого сплава композитного градиентного переходного слоя со структурой металл-оксид и напыление пленки оксида циркония до достижения ею требуемой толщины, согласно изобретению формирование упомянутого градиентного переходного слоя со структурой металл-оксид осуществляют путем осаждения градиентного переходного слоя, содержащего металлическую фазу на основе никелевого сплава, соответствующего составу упомянутой поверхности изделия, и диэлектрическую фазу, содержащую оксиды циркония разной стехиометрии, при этом соотношение фаз в градиентном переходном слое изменяют с возрастанием доли оксидной фазы по мере увеличения толщины пленки, при этом используют магнетронную систему с двумя магнетронами, причем с помощью первого магнетрона распыляют первую мишень из никелевого сплава, а с помощью второго магнетрона распыляют вторую мишень из циркония с добавками стабилизирующих элементов, а градиентный переходный слой формируют путем совместного распыления указанных мишеней, причем сначала распыление мишеней осуществляют в атмосфере аргона с обеспечением превышения интенсивности атомного потока, сформированного от упомянутой первой мишени, над интенсивностью атомного потока от упомянутой второй мишени с формированием сплошного металлического слоя, затем осуществляют распыление в присутствии кислорода с образованием в напыляемой пленке оксида циркония при неокисленном никелевом сплаве, при этом при напылении парциальное давление кислорода плавно увеличивают до 1,5⋅10^-3 Па, а мощность первого магнетрона, распыляющего первую мишень из никелевого сплава, уменьшают вплоть до его полного отключения.The solution to this problem is achieved by the fact that in the proposed method of applying a heat-protective composite coating containing zirconium oxide to the surface of a nickel alloy product, comprising forming a composite gradient transition layer with a metal-oxide structure on the surface of a nickel alloy product and sputtering the zirconium oxide film to achieve the required thickness, according to the invention, the formation of said gradient transition layer with a metal-oxide structure is carried out by deposition of g a transition layer containing a metal phase based on a nickel alloy corresponding to the composition of the product surface and a dielectric phase containing zirconium oxides of different stoichiometry, the phase ratio in the gradient transition layer changing with increasing proportion of the oxide phase with increasing film thickness, while using a magnetron system with two magnetrons, with the first magnetron sputtering the first nickel alloy target, and using the second magnetron sputtering a zirconium target with the addition of stabilizing elements, and a gradient transition layer is formed by co-sputtering these targets, and the targets are first sputtered in an argon atmosphere to ensure that the intensity of the atomic flux generated from the first target is higher than the intensity of the atomic flux from said second target with the formation of a continuous metal layer, then spraying is carried out in the presence of oxygen with the formation of zirconium oxide in the sprayed film at unoxidized nickel alloy, wherein during the deposition of the oxygen partial pressure is gradually increased to 1,5⋅10 ^-3 Pa, and the power of a first magnetron sputtered first target of a nickel alloy, decrease until its complete disconnection.

Предложенный способ реализуется следующим образом.The proposed method is implemented as follows.

Формирование градиентного переходного слоя со структурой металл-оксид осуществляют путем осаждения градиентного переходного слоя, содержащего металлическую фазу на основе никелевого сплава, соответствующего составу упомянутой поверхности изделия, и диэлектрическую фазу, содержащую оксиды циркония разной стехиометрии. Соотношение фаз в градиентном переходном слое изменяют с возрастанием доли оксидной фазы по мере увеличения толщины пленки, для чего используют магнетронную систему с двумя магнетронами. С помощью первого магнетрона распыляют первую мишень из никелевого сплава, а с помощью второго магнетрона распыляют вторую мишень из циркония с добавками стабилизирующих элементов. Градиентный переходный слой формируют путем совместного распыления указанных мишеней, причем сначала распыление мишеней осуществляют в атмосфере аргона с обеспечением превышения интенсивности атомного потока, сформированного от упомянутой первой мишени, над интенсивностью атомного потока от упомянутой второй мишени с формированием сплошного металлического слоя, затем осуществляют распыление в присутствии кислорода с образованием в напыляемой пленке оксида циркония при неокисленном никелевом сплаве. При напылении парциальное давление кислорода плавно увеличивают до 1,5⋅10^-3 Па, а мощность первого магнетрона, распыляющего первую мишень из никелевого сплава, уменьшают вплоть до его полного отключения.The formation of a gradient transition layer with a metal-oxide structure is carried out by deposition of a gradient transition layer containing a metal phase based on a nickel alloy corresponding to the composition of the mentioned surface of the product, and a dielectric phase containing zirconium oxides of different stoichiometry. The phase ratio in the gradient transition layer changes with increasing fraction of the oxide phase as the film thickness increases, for which a magnetron system with two magnetrons is used. Using the first magnetron, the first target of nickel alloy is sprayed, and with the second magnetron, the second target is made of zirconium with the addition of stabilizing elements. A gradient transition layer is formed by co-sputtering said targets, the targets being first sputtered in an argon atmosphere to ensure that the intensity of the atomic flux generated from said first target is higher than the intensity of the atomic flux from said second target to form a continuous metal layer, then sputtering in the presence of oxygen with the formation of zirconium oxide in the sprayed film in an unoxidized nickel alloy. During sputtering, the partial pressure of oxygen is gradually increased to 1.5⋅10 ^-3 Pa, and the power of the first magnetron sputtering the first target of nickel alloy is reduced until it is completely turned off.

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.In this case, the formed gradient layer is not only composite, but also nanostructured, since the characteristic sizes of inclusions of each phase are from units to several tens of nanometers, depending on the volume fraction of the phase.

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.The obtained nanostructured structure not only increases the mechanical strength of the coating, but also leads to an isotropic distribution of internal stresses under cyclic thermal loads, which increases the heat resistance and heat resistance of the coating.

Использование предложенного технического решения позволит создать способ нанесения оксидного покрытия на металлическую поверхность, 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.Using the proposed technical solution will allow you to create a method of applying an oxide coating on a metal surface, the use of which will form a smooth transition from a metal material to an oxide without a macroscopic interface, which ultimately will increase the mechanical strength of the coating and will lead to an isotropic distribution of internal stresses during cyclic thermal loads , which will increase the heat resistance and heat resistance of the coating.

Claims

A method of applying a heat-protective composite coating containing zirconium oxide to the surface of a nickel alloy product, comprising forming on the surface of a nickel alloy product a composite gradient transition layer with a metal-oxide structure and spraying a zirconium oxide film to achieve the desired thickness, characterized in that the formation the aforementioned gradient transition layer with a metal-oxide structure is carried out by deposition of a gradient transition layer containing a metal phase n based on a nickel alloy corresponding to the composition of the mentioned surface of the product, and a dielectric phase containing zirconium oxides of different stoichiometry, the phase ratio in the gradient transition layer changing with increasing fraction of the oxide phase with increasing film thickness, using a magnetron system with two magnetrons, moreover using the first magnetron, the first target of nickel alloy is sprayed, and with the second magnetron, the second target is made of zirconium with additives of stabilizing elements c, and a gradient transition layer is formed by co-sputtering these targets, and first the sputtering of the targets is carried out in an argon atmosphere to ensure that the intensity of the atomic flux generated from said first target is higher than the intensity of the atomic flux from said second target to form a continuous metal layer, then spraying in the presence of oxygen with the formation of zirconium oxide in the sprayed film with an unoxidized nickel alloy, while spraying steam The oxygen oxygen pressure gradually increases to 1.5⋅10 ^-3 Pa, and the power of the first magnetron sputtering the first nickel alloy target is reduced until it is completely turned off.