RU2614320C2 - Жаростойкое металлокерамическое покрытие и способ его нанесения - Google Patents
Жаростойкое металлокерамическое покрытие и способ его нанесения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2614320C2 RU2614320C2 RU2014145409A RU2014145409A RU2614320C2 RU 2614320 C2 RU2614320 C2 RU 2614320C2 RU 2014145409 A RU2014145409 A RU 2014145409A RU 2014145409 A RU2014145409 A RU 2014145409A RU 2614320 C2 RU2614320 C2 RU 2614320C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layers
- metal
- product
- coating
- ceramic
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING 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
- C23C—COATING 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
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING 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
- C23C—COATING 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
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING 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
- C23C—COATING 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
- C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении деталей с повышенной жаростойкостью. В жаростойком металлокерамическом покрытии, состоящем из чередующихся слоев тугоплавких окислов металлов, разделенных компенсационными слоями пластичного металла, слои тугоплавких окислов дополнительно содержат не более 40% пластичного металла, а компенсационные слои дополнительно содержат не более 20% тугоплавких окислов. Каждый компенсационный слой пластичного металла выполнен толщиной не более 100 нм и в 1,5-20 раз меньше толщины слоя керамики. В качестве тугоплавких окислов может использоваться оксид гафния или оксид циркония, а компенсационные слои содержат до 50% редкоземельных металлов. Чередующиеся оксидные и компенсационные слои напыляют с плавным изменением состава. 2 н. и 2 з.п. ф-лы.
Description
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении деталей с повышенной жаростойкостью.
Известен способ нанесения защитного эррозионно-стойкого покрытия, который включает плазменное напыление на поверхность изделия металлического подслоя из сплава на никелевой основе и последующее нанесение керамического покрытия из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, путем послойного плазменного напыления (Патент РФ N 2260071, МПК С23С 4/04, С23С 4/12, приор. от 30.09.2004, опубл. 10.09.2005).
Однако покрытие, получаемое по известному способу, принятому за прототип, имеет низкую адгезионную прочность.
Известно также жаростойкое металлокерамическое покрытие, состоящее из чередующихся слоев тугоплавких окислов металлов, разделенных компенсационными слоями пластичного металла, причем компенсационные слои выполняют из тех же металлов, окислы которых составляют основу тугоплавких металлокерамических слоев, а состав компонентов подбирается таким образом, что коэффициент термического расширения покрытия и основы отличается не более чем на 15% (Патент РФ N 2309194, МПК С23С 14/34, приор. от 11.01.2005, опубл. 27.10.2007), который принят за прототип.
Однако покрытие, получаемое по известному способу, принятому за прототип, имеет повышенную хрупкость.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение прочности и жаростойкости покрытия.
Поставленная техническая задача решается тем, что в жаростойком металлокерамическом покрытии, состоящем из чередующихся слоев керамики из тугоплавких окислов, разделенных компенсационными слоями пластичного металла, согласно предложенному изобретению слои керамики дополнительно содержат не более 40% пластичного металла, а компенсационные слои дополнительно содержат не более 20% тугоплавких окислов, при этом каждый компенсационный слой пластичного металла выполнен толщиной не более 100 нм и в 1,5-20 раз меньше толщины слоя керамики.
Кроме того, в качестве тугоплавких окислов используется оксид гафния или оксид циркония, а компенсационные слои содержат до 50% редкоземельных металлов.
Кроме того, чередующиеся оксидные и компенсационные слои выполнены с плавным изменением состава.
Способ получения жаростойкого металлокерамического покрытия по п. 1, заключающийся в том, что предварительно производят механическую очистку поверхности изделия, осуществляют ионную очистку внешней поверхности изделия, затем нагревают изделие до заданной температуры, наносят подслой из металла, идентичного металлу изделия, и наносят жаростойкое покрытие с чередующимися слоями металла и керамики посредством ионно-плазменного или магнетронного напыления, при этом регулируют соотношение компонентов в каждом слое в зависимости от заданных свойств слоев покрытия.
Технический результат заключается в повышении жаростойкости и прочности покрытия.
Предложенная совокупность существенных признаков заявляемого способа позволяет достичь как механической твердости, так и пластичности при малой толщине покрытия. Армирующие слои с повышенным содержанием металла позволяют исключить трещинообразование, сколы и хрупкое разрушение, повышают когезионную прочность покрытия. Наноструктурное состояние отдельных слоев повышает прочность получаемого покрытия, которая приближается к теоретической. При этом происходит плавное изменение свойств между слоями, что также повышает механические характеристики покрытия. Керамические слои дисперсно армируются металлическим компонентом, что значительно повышает их пластичность. При этом состав покрытия подбирается таким образом, что в процессе эксплуатации изделия металлические слои взаимодействуют с кислородом воздуха и образуют керамику, которая залечивает микродефекты покрытия.
Способ получения жаростойкого металлокерамического покрытия заключается в том, что предварительно производят механическую очистку поверхности изделия, осуществляют ионную очистку внешней поверхности изделия, затем нагревают изделие до заданной температуры, наносят подслой из металла, идентичного металлу изделия, и наносят жаростойкое покрытие с чередующимися слоями металла и керамики посредством ионно-плазменного или магнетронного напыления, при этом регулируют соотношение компонентов в каждом слое в зависимости от заданных свойств слоев покрытия.
Заявляемый способ получения жаростойкого металлокерамического покрытия заключается в том, что сначала производят механическую очистку и ионную полировку внешней поверхности изделия. Затем напыляют сепарированными плазменными потоками в среде аргона (вакуум 2,5⋅10-3 мм рт.ст.) переходный подслой из металла, идентичного металлу изделия. В качестве такого металла выбирают, например, никель. После чего в камеру подают активный кислород.
В результате плазмохимических реакций образуется дисперсно-армированный слой с повышенным содержанием керамики толщиной до 100 нм при следующем процентном соотношении компонентов:
Керамика | 60-100 |
Металл | остальное |
Затем, уменьшая подачу кислорода, напыляют пластичный армирующий компенсационный слой с пониженным содержанием керамики, причем толщина данного слоя в 1,5-20 раз меньше толщины слоя с повышенным содержанием керамики, при следующем процентном соотношении компонентов:
Металл | 80-100 |
Керамика | остальное |
Последовательно напыляют чередующиеся слои с пониженным и повышенным содержанием керамики, при этом происходит плавное изменение свойств покрытия, что способствует увеличению его когезионной прочности.
При этом процентное соотношение компонентов всех слоев изменяют в зависимости от требуемых свойств. Все указанные выше интервалы толщин слоев выбраны исходя из экспериментальных исследований. При толщине слоев, выходящей за пределы указанных интервалов, наблюдается уменьшение прочности и надежности покрытия.
Примером реализации предлагаемого способа может служить процесс нанесения покрытия на серию лопаток газотурбинного двигателя из жаростойкого сплава ЖС6К.
Сначала производят механическую очистку поверхности изделия, после чего помещают его в вакуумную ионно-плазменную установку и создают вакуум 2⋅10-5 мм рт.ст. При помощи источника газовой плазмы производят электронный разогрев изделий до температуры 350°C. Производят ионную очистку и полировку, которая включает, по крайней мере, две стадии:
- предварительная очистка путем обработки тлеющим зарядом, ток дуги 200 А, ускоряющее напряжение 250 В, среда - аргон, вакуум 5⋅10-3 мм рт.ст., время обработки составляет 10-30 мин.
- финишная (ионная) очистка: нагрев до температуры 500°C, используется циркониевый катод, среда - аргон, вакуум 2,5⋅10-3 мм рт.ст., ток дуги 200 А, ускоряющее напряжение 350 В.
Затем напыляют сепарированными потоками (ток дуги 200 А, ускоряющее напряжение 250 В, вакуум 2,5⋅10-3 мм рт.ст., среда аргона) переходный подслой никеля толщиной 10 нм. После чего подают активный кислород. В результате плазмохимических реакций образуется дисперсно-армированный слой с повышенным содержанием керамики толщиной 50 нм, содержащий 20% никеля (Ni), 80% оксида гафния (HfO2).
Затем уменьшают подачу кислорода, увеличивают вакуум до 0,5⋅10-3 мм рт.ст. и таким образом получают пластичный армирующий компенсационный слой с пониженным содержанием керамики толщиной 10 нм, содержащий 90% никеля (Ni), 10% оксида гафния (HfO2).
Напыляют 100 чередующихся слоев с пониженным и повышенным содержанием керамики.
После нанесения покрытия были произведены испытания микротвердости, адгезионной прочности и пластичности методами индентирования, склерометрии и сканирующей электронной микроскопии. В качестве сравнения использовались образцы, полученные по способу-прототипу.
Проведенные испытания показали, что по сравнению с образцами, полученными по способу-прототипу, образцы, полученные по заявляемому способу, имеют на 24% более высокую микротвердость и выдерживают на 31% более высокую критическую нагрузку, вызывающую отслоение покрытия. Кроме того, высокотемпературные испытания показали увеличение жаростойкости в 1,4 раза. Таким образом, можно заключить, что заявляемый способ обеспечивает достижение технического результата.
Жаростойкое металлокерамическое покрытие может быть нанесено с помощью известных в технике средств. Следовательно, оно соответствует критерию «промышленная применимость».
Использование заявляемого способа обеспечивает повышение прочности и жаростойкости металлокерамических покрытий.
Claims (4)
1. Жаростойкое металлокерамическое покрытие, состоящее из чередующихся слоев керамики из тугоплавких окислов металлов и компенсационных слоев из пластичного металла, нанесенных на поверхность изделия, отличающееся тем, что слои керамики дополнительно содержат не более 40% пластичного металла, а компенсационные слои дополнительно содержат не более 20% тугоплавких окислов, при этом каждый компенсационный слой из пластичного металла выполнен толщиной не более 100 нм и в 1,5-20 раз меньше толщины слоя керамики.
2. Покрытие по п. 1, в котором в качестве тугоплавких окислов использован оксид гафния или оксид циркония, а компенсационные слои содержат до 50% редкоземельных металлов.
3. Покрытие по п. 1, в котором чередующиеся оксидные и компенсационные слои выполнены с плавным изменением состава.
4. Способ получения жаростойкого металлокерамического покрытия по п. 1, заключающийся в том, что предварительно производят механическую очистку поверхности изделия, осуществляют ионную очистку внешней поверхности изделия, затем нагревают поверхность изделия до заданной температуры, наносят подслой из металла, идентичного металлу изделия, затем осуществляют нанесение упомянутых чередующихся слоев металла и керамики посредством ионно-плазменного или магнетронного напыления, при этом регулируют соотношение компонентов в каждом слое в зависимости от заданных свойств слоев покрытия.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014145409A RU2614320C2 (ru) | 2014-11-11 | 2014-11-11 | Жаростойкое металлокерамическое покрытие и способ его нанесения |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014145409A RU2614320C2 (ru) | 2014-11-11 | 2014-11-11 | Жаростойкое металлокерамическое покрытие и способ его нанесения |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014145409A RU2014145409A (ru) | 2016-06-10 |
RU2614320C2 true RU2614320C2 (ru) | 2017-03-24 |
Family
ID=56114733
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014145409A RU2614320C2 (ru) | 2014-11-11 | 2014-11-11 | Жаростойкое металлокерамическое покрытие и способ его нанесения |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2614320C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2728117C1 (ru) * | 2019-09-30 | 2020-07-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ нанесения градиентных жаростойких покрытий y-mo-o плазмы вакуумно-дугового разряда |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03240943A (ja) * | 1990-02-16 | 1991-10-28 | Mitsubishi Materials Corp | 貴金属の表面に付着強度の優れたセラミックス層を形成する方法 |
US5733609A (en) * | 1993-06-01 | 1998-03-31 | Wang; Liang | Ceramic coatings synthesized by chemical reactions energized by laser plasmas |
RU2120494C1 (ru) * | 1997-06-17 | 1998-10-20 | Международный Центр Электронно-Лучевых Технологий Института Электросварки им.Е.О.Патона НАН Украины | Способ получения на подложке защитных покрытий с градиентом химического состава и структуры по толщине с внешним керамическим слоем, его вариант |
US6177200B1 (en) * | 1996-12-12 | 2001-01-23 | United Technologies Corporation | Thermal barrier coating systems and materials |
JP2001335878A (ja) * | 2000-05-30 | 2001-12-04 | Teikoku Piston Ring Co Ltd | 摺動部材 |
RU2309194C2 (ru) * | 2005-01-11 | 2007-10-27 | Виталий Степанович Гончаров | Жаростойкое металлокерамическое покрытие |
RU2532646C1 (ru) * | 2013-06-28 | 2014-11-10 | Фонд поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности "Энергия без границ" (Фонд "Энергия без границ") | Многослойное теплозащитное покрытие |
-
2014
- 2014-11-11 RU RU2014145409A patent/RU2614320C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03240943A (ja) * | 1990-02-16 | 1991-10-28 | Mitsubishi Materials Corp | 貴金属の表面に付着強度の優れたセラミックス層を形成する方法 |
US5733609A (en) * | 1993-06-01 | 1998-03-31 | Wang; Liang | Ceramic coatings synthesized by chemical reactions energized by laser plasmas |
US6177200B1 (en) * | 1996-12-12 | 2001-01-23 | United Technologies Corporation | Thermal barrier coating systems and materials |
RU2120494C1 (ru) * | 1997-06-17 | 1998-10-20 | Международный Центр Электронно-Лучевых Технологий Института Электросварки им.Е.О.Патона НАН Украины | Способ получения на подложке защитных покрытий с градиентом химического состава и структуры по толщине с внешним керамическим слоем, его вариант |
JP2001335878A (ja) * | 2000-05-30 | 2001-12-04 | Teikoku Piston Ring Co Ltd | 摺動部材 |
RU2309194C2 (ru) * | 2005-01-11 | 2007-10-27 | Виталий Степанович Гончаров | Жаростойкое металлокерамическое покрытие |
RU2532646C1 (ru) * | 2013-06-28 | 2014-11-10 | Фонд поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности "Энергия без границ" (Фонд "Энергия без границ") | Многослойное теплозащитное покрытие |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2728117C1 (ru) * | 2019-09-30 | 2020-07-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ нанесения градиентных жаростойких покрытий y-mo-o плазмы вакуумно-дугового разряда |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014145409A (ru) | 2016-06-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5324029B2 (ja) | 半導体加工装置用セラミック被覆部材 | |
US10315388B2 (en) | Method of manufacturing laminate and laminate | |
KR20070067607A (ko) | 고강도 Ni-Pt-Al-Hf 접합 코팅 | |
Lange et al. | Oxidation behavior of magnetron sputtered double layer coatings containing molybdenum, silicon and boron | |
KR20140115418A (ko) | 알루미늄 다이캐스팅 금형용 코팅재 및 이의 제조방법 | |
CN104630686A (zh) | 一种含有长寿命抗氧化粘结层的热障涂层的制备方法 | |
RU2489514C1 (ru) | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА СИСТЕМЫ Ti-Al | |
KR101527144B1 (ko) | 마그네슘-알루미늄 코팅 강판 및 그 제조 방법 | |
US8497028B1 (en) | Multi-layer metallic coating for TBC systems | |
Kováčik et al. | Electro spark deposition of TiB2 layers on Ti6Al4V alloy | |
CN101294284A (zh) | 一种耐冲蚀抗疲劳等离子表面复合强化方法 | |
Xie et al. | Tribocorrosion behaviors of AlN/MoS2–phenolic resin duplex coatings on nitrogen implanted magnesium alloys | |
RU2614320C2 (ru) | Жаростойкое металлокерамическое покрытие и способ его нанесения | |
RU2554828C2 (ru) | Способ нанесения защитного покрытия на поверхность стального изделия | |
RU2599073C1 (ru) | Способ ионно-плазменного нанесения многослойного покрытия на изделия из алюминиевых сплавов | |
RU2493813C2 (ru) | Способ получения металлокерамических покрытий на поверхности зубных протезов | |
RU2549813C1 (ru) | Способ формирования жаростойкого нанокомпозитного покрытия на поверхности изделий из жаропрочных никелевых сплавов. | |
CN105463382B (zh) | 一种提高TiAl合金氧化抗力的涂层及其制备方法 | |
RU2010115735A (ru) | Способ получения жаростойкого покрытия на лопатках газовых турбин | |
RU2409701C2 (ru) | Способ нанесения керамического покрытия | |
Ghosh | Thermal properties of glass-ceramic bonded thermal barrier coating system | |
RU2010111608A (ru) | Способ повышения стойкости блока сопловых лопаток турбомашин из никелевых и кобальтовых сплавов к термомеханическим нагрузкам | |
EP2860285A1 (en) | Method for increasing heat resistance of metallic articles | |
RU2697758C1 (ru) | Способ нанесения жаростойких покрытий y-мо-о из плазмы вакуумно-дугового разряда | |
CN108070859A (zh) | 难熔金属表面层状复合Ir/W高温抗氧化涂层及其制备方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FA92 | Acknowledgement of application withdrawn (lack of supplementary materials submitted) |
Effective date: 20160817 |
|
FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20161012 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170220 |