СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ПОКРЫТУЮ КАРБИДОМ КРЕМНИЯ ПОДЛОЖКУ
METHOD OF COATING SILICON CARBIDE-COATED SUBSTRATE

Настоящее изобретение относится к способу нанесения покрытия на деталь, имеющую поверхность, выполненную из карбида кремния (SiC).
Деталь может быть сплошной деталью из SiC или деталью, имеющей подложку, которая не выполнена из SiC, а покрыта слоем SiC. Детали с покрытой слоем SiC подложкой используются в высокотемпературных областях применения, т.е. используются при температурах в диапазоне от 300°C до 1100°C. В качестве примера, подложка может быть композитом с керамической матрицей (ККМ), т.е. керамической матрицей, усиленной керамикой или, например, углеродными волокнами. Слой SiC должен придать детали большую стойкость к окислению и лучшие механические свойства при высоких температурах. Благодаря этим свойствам, такие детали используются, в частности, в авиационных турбинах.
2
3
В определенных областях применения необходимо нанести покрытие на SiC-ую поверхность, например покрытие из металла или керамики. В частности, можно нанести керамику, причем такое керамическое покрытие предназначено для улучшения высокотемпературных рабочих характеристик детали, на которую оно нанесено. Нанесение может быть выполнено либо атмосферным термическим напылением, или при помощи цемента. Обычно нанесенная керамика является оксидом алюминия (AlO), который, таким образом, наносят либо атмосферным термическим напылением оксида алюминия (атмосферное плазменное напыление порошка или пламенное распыление проволоки), либо еще в виде цемента на основе оксида алюминия (глиноземистого цемента), либо, фактически, путем комбинирования этих способов, которые хорошо известны в современном уровне техники.
Механические и термические испытания, проведенные на деталях с покрытыми керамическим покрытием SiC-ыми поверхностями, показывают, что главный вид повреждений - это разрушение (разрыв) на границе раздела между SiC-ой поверхностью и керамическим покрытием, вероятно, из-за физико-химических свойств SiC-ой поверхности.
С целью улучшения стойкости этой границы раздела проводили модификации состояния SiC-ой поверхности. Так, проводили пескоструйную обработку (используя сжатый воздух для обдува частицами оксида алюминия с диаметром в несколько сотен микрометров) SiC-ой поверхности с целью увеличить ее шероховатость. Тем не менее, пескоструйная обработка ведет к повреждению SiC-ой поверхности без создания благоприятной шероховатости.
Настоящее изобретение стремится исправить эти недостатки.
Задача изобретения состоит в том, чтобы предоставить способ изготовления покрытия на детали с поверхностью из карбида кремния (SiC), который позволяет улучшить стойкость границы раздела между SiC-ой поверхностью и покрытием.
Эта задача решается тем, что способ включает в себя следующие стадии:
а) применение лазерной обработки к SiC-ой поверхности путем воздействия лазерными импульсами с целью увеличения шероховатости упомянутой поверхности; и
б) нанесение покрытия на SiC-ую поверхность атмосферным термическим напылением.
Посредством многократного воздействия лазерного луча на SiC-ую поверхность шероховатость этой поверхности возрастает, тем самым увеличивая механическое сцепление покрытия на SiC-ой поверхности. В дополнение, лазерный луч модифицирует физико-химическое состояние SiC-ой поверхности, тем самым усиливая физико-химическое связывание между покрытием и SiC-ой поверхностью. Таким образом, граница раздела между деталью и покрытием становится лучше в отношении выдерживания высоких температур.
Например, материалом, образующим упомянутое покрытие, является оксид алюминия.
Оксид алюминия обычно используется в качестве покрытия, поскольку он является материалом, который обеспечивает хорошую электрическую изоляцию при высоких температурах.
Детали с покрытой слоем карбида кремния (SiC) подложкой обычно используют в высокотемпературных областях применения, как упоминалось ранее. Необходимо оптимизировать определение нужных размеров упомянутых деталей по соображениям размера, веса и стоимости. Это определение нужных размеров проводится, в частности, путем лабораторных испытаний или путем испытаний в рабочих условиях, во время которых изучаются деформации таких деталей при термомеханических нагрузках. Чтобы можно было измерить такие деформации, используют тензометрические датчики, обычно, датчики со свободной нитью (также можно использовать тонкослойные датчики, но сложные технологии их нанесения делают их менее широко используемыми). Такие датчики включают в себя нить из сплава, которую закрепляют на детали. Когда деталь деформируется, нить растягивается или сжимается, что ведет к соответствующему изменению ее электрического сопротивления. При пропускании электрического тока через нить можно в реальном времени измерять изменения электрического сопротивления нити и в результате измерять деформации той детали, на которой она закреплена. Чтобы измерять такие деформации эффективно, очень важно обеспечить, чтобы датчик надежно «прилипал» к поверхности детали, так чтобы деформации поверхности детали эффективно передавались на этот датчик. Обычно датчик располагают на первом покрытии из оксида алюминия, предварительно нанесенном на деталь, а затем датчик и упомянутое первое покрытие покрывают дополнительным покрытием из оксида алюминия, которое удерживает датчик в тесном контакте с первым покрытием.
Несмотря на это, может случиться, что первое покрытие отделится от поверхности детали, и тогда датчик не сможет эффективно действовать в отношении измерения деформации поверхности детали, а проведенные измерения не будут надежными. Как упоминалось ранее, для деталей с покрытой SiC подложкой, которая покрыта покрытием из оксида алюминия согласно уровню техники, при высоких температурах на границе раздела деталь/покрытие может произойти отслоение. Такое отслоение происходит даже тогда, когда слой SiC был подвергнут пескоструйной обработке. Поэтому необходимо улучшить адгезию между первым керамическим покрытием и слоем SiC и, таким образом, с находящейся под ним деталью. Эту улучшенную адгезию получают, используя ранее описанную лазерную обработку слоя SiC.
Следовательно, изобретение также предлагает способ изготовления устройства для измерения деформации подложки, покрытой слоем SiC, нанесенным химическим осаждением из паровой фазы, включающий в себя следующие стадии:
а) применение лазерной обработки к слою SiC путем воздействия лазерными импульсами с целью увеличения шероховатости упомянутого слоя;
б) нанесение покрытия из оксида алюминия на слой SiC атмосферным термическим напылением;
в) размещение тензометрического датчика со свободной нитью на покрытии, причем этот датчик удерживается на его опоре, и эта опора имеет отверстия;
г) нанесение второго покрытия из оксида алюминия на тензометрический датчик и на покрытие путем атмосферного термического напыления через отверстия;
д) удаление опоры; и
е) нанесение третьего покрытия из оксида алюминия путем атмосферного термического напыления на покрытие, на второе покрытие и на тензометрический датчик.
Изобретение также предлагает устройство для измерения деформации детали, образованной подложкой, покрытой слоем карбида кремния (SiC), нанесенным химическим осаждением из паровой фазы.
В соответствии с изобретением, это устройство включает в себя первое покрытие из оксида алюминия, нанесенное атмосферным термическим напылением на слой карбида кремния после того, как он был обработан путем воздействия лазерными импульсами, тензометрический датчик со свободной нитью, размещенный на первом покрытии, и дополнительное покрытие из оксида алюминия, нанесенное на тензометрический датчик атмосферным термическим напылением.
Из-за повторных воздействий лазерного луча на поверхность слоя SiC шероховатость упомянутой поверхности увеличивается, тем самым повышая механическое сцепление покрытия на слое SiC. В дополнение к этому, лазер модифицирует физико-химическое состояние поверхности слоя SiC, тем самым улучшая физико-химическое связывание между покрытием и слоем SiC.
Таким образом, граница раздела между деталью и покрытием становится лучше в отношении выдерживания высоких температур, и тензометрический датчик остается надежно прикрепленным к слою SiC, а значит и к детали, деформация которой должна быть измерена при высоких температурах. Следовательно, можно провести более точные измерения деформации детали, на которой закреплен этот датчик.
Изобретение может быть лучше понято и его преимущества проявятся более ясно после прочтения нижеследующего подробного описания его реализации, приведенного в качестве неограничительного примера. В описании даются ссылки на сопроводительный рисунок, на котором:
• Фигуры 1А, 1В и 1С показывают стадии способа по изобретению, примененного к подложке, покрытой слоем SiC;
• Фигура 2 представляет собой перспективное изображение тензометрического датчика на его опоре; и
• Фигура 3 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей устройства для измерения деформации по изобретению.
Фигура 1А показывает деталь для использования в областях применения с очень высокими температурами, имеющую подложку 10, которая покрыта слоем 12 карбида кремния (SiC). В качестве примера, подложка 10 выполнена из композиционного материала с керамической матрицей или композиционного материала с самозалечивающейся керамической матрицей. Композиционный материал может представлять собой SiC, или он может быть образован множеством огнеупорных керамических слоев, которые являются предшественниками стекла в трехкомпонентной системе кремний-бор-углерод (Si-B-C). Такие композиты усилены (армированы), например, волокнами, выполненными из углерода или керамики. При применении в авиационных турбинах такие детали обычно являются тонкими деталями в форме конической призмы или плоской прямоугольной формы, и они имеют размер порядка нескольких сотен миллиметров.
Наносимый на подложку слой 12 SiC наносят, например, методом, известным как химическое осаждение из паровой фазы (ХОПФ или CVD).
Фигура 1В показывает ту же деталь с лазером 20, излучающим лазерный луч по направлению к слою 12 SiC. Луч лазера оказывает многократные воздействия на слой SiC, тем самым создавая шероховатости 14 на упомянутом слое 12 и вызывая изменение физико-химического состояния поверхности упомянутого слоя 12. Результатом этого является лучшая адгезия покрытия, нанесенного на слой 12 SiC, по сравнению с адгезией слоя SiC, который не был подвергнут такой лазерной обработке. Параметры лазерной обработки (тип лазера, интегральная плотность энергии лазерного излучения (энергия на единицу площади), продолжительность импульса, частота лазерных импульсов, относительная скорость движения между лазером и деталью и т.д.) выбираются таким образом, чтобы получить наилучшее возможное связывание между покрытием и слоем 12 SiC. Количество N лазерных импульсов на каждую точку поверхности задано следующей формулой, в которой V - скорость движения лазера относительно детали, d - размер лазерного луча в направлении упомянутого движения и v - частота лазерных импульсов (количество лазерных импульсов в секунду):
.
2
2
2
Обычно, в случае с импульсным Nd:YAG лазером с продолжительностью импульса 10 наносекунд (нс), количество N лазерных импульсов на каждую точку поверхности находится в диапазоне от 90 до 1000, интегральная плотность энергии лазера находится в диапазоне от 1,8 джоуля на квадратный сантиметр (Дж/см) до 2 Дж/см. Например, можно использовать Nd:YAG лазер с размером луча от 8 миллиметров (мм) до 4 мм и частотой импульсов v 120 герц (Гц) и проводить обработку с интегральной плотностью энергии лазера 2 Дж/см и относительной скоростью лазер/деталь V 1 миллиметр в секунду (мм/с). Это дает количество N, которое равно 480, для лазера, двигающегося в направлении короткого размера своего луча.
2
Предпочтительно, используют импульсный Nd:YAG лазер с продолжительностью импульса 10 нс, c количеством N лазерных импульсов на каждую точку поверхности, находящимся в диапазоне от 200 до 500, и с интегральной плотностью энергии 2 Дж/см.
2
3
2
2
2
3
Фигура 1С демонстрирует ту же деталь, что и Фигура 1В, на которую было нанесено покрытие 30. Обычно, это покрытие 30 выполнено из керамики, такой как муллит (3AlO·2SiO), диоксид циркония ZrO или оксид алюминия AlO.
Это покрытие 30 обычно наносят атмосферным термическим напылением. Нанесение атмосферным термическим напылением в целом более предпочтительно, чем нанесение цемента, т.к. цемент имеет тенденцию к растрескиванию при высоких температурах. Покрытия, выполненные атмосферным термическим напылением, являются более связывающими и более стойкими. Термин «термическое напыление» означает группу способов покрытия поверхности, в которых мелкодисперсные частицы материала покрытия осаждают на подложку в расплавленном или полурасплавленном состоянии. Атмосферным термическим напылением может быть плазменное напыление или пламенное напыление. Оба этих метода известны, поэтому ниже кратко представлены только их общие принципы.
Методом плазменного напыления является метод термического напыления с использованием продуваемой дуговой плазменной горелки, который заключается во введении в струю с очень высокой энергией (плазменную струю) подлежащего нанесению материала в порошкообразной форме (т.е. в форме частиц, имеющих средний диаметр в несколько десятков микрометров). Затем частицы расплавляются этим источником нагрева и одновременно ускоряются в направлении к детали для нанесения покрытия. Таким образом, частицы расплющиваются о поверхность детали в виде капелек, которые затвердевают очень быстро после соударения за счет отвода от них тепла, тем самым образуя пластинки на поверхности детали. Укладка этих пластинок перпендикулярно поверхности детали вызывает постепенное образование покрытия. Такое напыление проводят при атмосферном давлении на воздухе. Скорость роста покрытия составляет порядка 100 микрометров (мкм) в минуту.
Метод пламенного напыления состоит во введении в пламя ацетиленокислородной горелки проволоки (прутка) из материала, который должен быть напылен на поверхность детали. Затем этот материал плавится, распыляется на мелкодисперсные частицы, которые ускоряются в направлении к детали для нанесения покрытия, и на ее поверхности они расплющиваются в виде капелек, которые очень быстро затвердевают после соударения за счет отвода от них тепла, тем самым образуя пластинки на поверхности детали. Укладка этих пластинок приводит к постепенному образованию покрытия. Такое напыление производится на воздухе при атмосферном давлении. Скорость роста покрытия составляет порядка 100 мкм в минуту.
2
3
Заявителем были выполнены испытания на деталях, имеющих подложку из композита с керамической матрицей, со слоем SiC после того, как он был подвергнут описанной выше лазерной обработке, и на таких же деталях, которые не были подвергнуты лазерной обработке. Затем все детали были покрыты оксидом алюминия путем пламенного напыления. Испытания на термическую усталость (в течение 60 циклов, причем каждый цикл включал в себя: подъем температуры до 1100°C, выдержку ее при 1100ºC в течение одного часа, охлаждение на воздухе до 300°C) показали, что детали с подвергнутыми лазерной обработке слоями SiC не имели никаких следов отслоения на границе раздела SiC/AlO, в отличие от деталей, в которых слой SiC не был подвергнут лазерной обработке.
Полученные способом по изобретению детали в случае, когда покрытие выполнено из оксида алюминия, обычно представляют собой детали, используемые в авиационных турбинах, например створки регулируемого сопла, смесители и элементы камеры сгорания.
В соответствии с изобретением создано устройство для измерения деформаций на детали, образованной подложкой, на которую методом химического осаждения из паровой фазы был нанесен слой SiC (в качестве примера, подложка может быть выполнена из одного из вышеупомянутых керамических композитов). Это устройство измерения включает в себя тензометрический датчик со свободной нитью, используемый для измерения деформаций детали.
Фигура 2 показывает тензометрический датчик 40 со свободной нитью. Такой тензометрический датчик известен специалистам в данной области техники, и поэтому ниже приводится лишь его общее строение. Тензометрический датчик 40 включает в себя нить, согнутую в форме гармошки следующим образом: нить отогнули назад вдоль самой себя первый раз, образовав U-образную петлю заданной высоты, затем ее отогнули назад второй раз, образовав вторую U-образную петлю, расположенную в той же плоскости, что и первая U-образная петля, и имеющую ветви той же длины, но направленные наоборот. Нить таким образом отогнули назад вдоль самой себя много раз с использованием того же приема, при этом обеспечивая, чтобы ветви U-образных петель не касались друг друга и таким образом образовали лежащую в плоскости сетку 41. Таким образом, ветви последовательных U-образных петель составляют витки сетки 41, которые взаимно параллельны. Сетка 41 является в целом прямоугольной по форме и удлинена на одной стороне двумя концами 42 нити, простирающимися соответственно от первой ветви первой U-образной петли и от последней ветви последней U-образной петли этой сетки 41. Концы 42, по существу, параллельны и лежат в той же плоскости, что и сетка 41. Тензометрический датчик также включает в себя опору 43. Обычно опора 43 представляет собой липкую ленту, на которую приклеена сетка 41. Таким образом, опора 43 позволяет сохранять конфигурацию сетки 41 при манипуляциях с тензометрическим датчиком 40, в особенности так, чтобы удерживать петли U-образной формы вместе с образованием витками сетки 41, но так, чтобы эти витки не прикасались друг к другу (с тем чтобы избежать короткого замыкания в нити). Опора 43 имеет прямоугольную форму, которая выходит за пределы сетки 41, так что только концы 42 нити находятся вне опоры 43. Опора 43 сориентирована таким образом, что две ее стороны параллельны виткам сетки 41, а две другие ее стороны перпендикулярны им. Концы 42 нити соединены с электрическим оборудованием для пропускания по нити электрического тока с тем, чтобы измерять в реальном времени изменения электрического удельного сопротивления нити, а значит, и деформации детали, на которой она закреплена. Когда деталь деформируется в направлении витка, образующего сетку 41, нить растягивается или сжимается, и ее электрическое удельное сопротивление соответственно изменяется. С целью увеличения чувствительности измерений нужно, чтобы нить была согнута несколько раз вдоль самой себя, образуя сетку 41, как это описано ранее. В опоре 43 вырезаны два прямоугольных отверстия 44 так, что их размер в длину располагается перпендикулярно виткам, образующим сетку 41. Отверстия 44 являются достаточно длинными для того, чтобы в этих отверстиях были видны все витки сетки 41. Ширина отверстий 44 (в направлении витков) ограничена так, чтобы покрыть лишь небольшую долю поверхности, очерченной сеткой 41. Таким образом, основная доля длины нити, составляющей сетку 41, остается прикрепленной к опоре 43. Одно из отверстий 44 расположено у того конца сетки 41, который ближе к концам 42 нити, а другое отверстие 44 расположено у другого конца сетки 41.
Нить тензометрического датчика 40 выполнена из металлического сплава, например, хромоникелевого (Ni-Cr) сплава, железо-хромо-алюминиевого (Fe-Cr-Al) сплава или платино-вольфрамового (Pt-W) сплава. В качестве примера, диаметр нити составляет 18 мкм в сетке 41 и 76 мкм - на концах 42.
Устройство для измерения деформации детали изготавливают следующим образом: слой 12 SiC (ранее нанесенный на подложку 10 детали химическим осаждением из паровой фазы) первоначально обрабатывают путем воздействия лазерными импульсами, как упомянуто в описании Фигуры 1В. Такая лазерная обработка создает шероховатость 14 на слое 12 SiC. После этого на часть слоя 12 наносят первое покрытие 30 из оксида алюминия атмосферным термическим напылением (плазменным напылением или пламенным напылением). Например, можно использовать измельченный и плавленый порошок оксида алюминия с крупностью частиц, лежащей в диапазоне от 22 мкм до 45 мкм, который распыляют посредством плазменной горелки смесью, содержащей аргон с 30% по объему водорода, при мощности в 45 киловатт (кВт). Шероховатости 14 слоя 12 SiC обеспечивают хорошую адгезию на упомянутом слое 12 для первого покрытия 30 из оксида алюминия.
После этого на первое покрытие 30 из оксида алюминия помещают тензометрический датчик 40 с опорой 43, находящейся над сеткой 41. В этом примере первое покрытие 30 из оксида алюминия служит для изоляции тензометрического датчика 40 от подложки. Датчик 40 удерживают на месте при помощи опоры 43, и на сетку 41 через окошки 44 наносят второе покрытие 50 из оксида алюминия, подобное первому. Второе покрытие 50 аналогично наносят атмосферным термическим напылением. Таким образом, этот второй слой 50 находится в форме двух прямоугольных полосок, каждая из которых имеет площадь, равную площади одного из окошек 44, и нанесена в месте расположения одного из упомянутых окошек 44. Таким образом, второе покрытие 50 находится непосредственно в контакте с нитью сетки 41 и проемами нити на первом покрытии 30. Затем можно удалить опору 43, при этом сетка будет удерживаться на месте вторым покрытием 50. После этого наносят третье покрытие 60 из оксида алюминия (подобное двум первым покрытиям) атмосферным термическим напылением так, чтобы покрыть второе покрытие 50, те части сетки 41, которые не покрыты вторым покрытием 50, и часть концов 42. Два кончика концов 42 не покрывают третьим покрытием 60 с тем, чтобы они могли быть присоединены к источнику электричества для измерения деформации нити сетки 41. В качестве примера, первое покрытие имеет толщину 100 мкм, второе покрытие имеет толщину 50 мкм, а третье покрытие имеет толщину 100 мкм.
Второе покрытие 50 и третье покрытие 60 вместе составляют дополнительное покрытие из оксида алюминия, которое удерживает тензометрический датчик 40 на первом покрытии 30, при этом тензометрический датчик 40 таким образом заделан в оксид алюминия первого покрытия 30 и дополнительного покрытия. Из-за шероховатостей 14 слоя 12 SiC, блок оксида алюминия, состоящий из первого покрытия 30 и дополнительного покрытия, надежно прикреплен к детали даже при высоких температурах (от 300°C до 1100°C), которым деталь подвергается при работе (например, в авиационной турбине). Таким образом, деформация детали надлежащим образом передается блоку оксида алюминия, а значит, и нити тензометрического датчика 40, что дает возможность проводить точные измерения деформации детали.
Вышеописанный способ размещения тензометрического датчика 40 на первом слое 30 дан в качестве примера, причем этот принцип является тем же для размещения любого другого тензометрического датчика со свободной нитью, при условии, что в конце способа нанесения нить тензометрического датчика 40 заделана в блок оксида алюминия, который образован первым покрытием 30 и дополнительным покрытием.
Способ изготовления покрытия на подложке с поверхностью из SiC, описанный в настоящем изобретении, также охватывает ситуации, при которых покрытие изготавливают на сплошной детали из SiC.