СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ
METHOD OF APPLYING HEAT-RESISTANT COATING

Изобретение относится к вакуумной технологии нанесения теплозащитных покрытий на изделия из меди и может быть использовано в авиа- и машиностроении и других областях.
Известен способ газотермического напыления покрытий [1] для защиты деталей, работающих в условиях повышенных температур. Предложенный способ 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. Недостатком данного способа является низкая прочность сцепления керамического покрытия с металлической основой при работе деталей в условиях термоциклирования.
Известен также способ нанесения высокотемпературных покрытий [2], включающий выполнение армирующего слоя, закрепление его на поверхности детали и нанесение покрытия на поверхность детали с армирующим слоем. Основным недостатком данного способа является сложность реализации технологического процесса обработки. Формирование такого покрытия связано с большими затратами, что делает данный способ недоступным для промышленных масштабов производства.
Наиболее близким решением к изобретению является способ получения защитных покрытий [3], включающий нанесение на поверхность детали металлического подслоя, алитирование или хромоалитирование подслоя, нанесение керамического слоя на основе оксида циркония, содержащего оксид иттрия, и упрочнение керамического слоя путем нанесения на него, по меньшей мере, трех керамических слоев на основе оксида циркония.
Приведенные в описании методы формирования керамического слоя позволяют получать покрытие только со столбчатой структурой, существенным недостатком которой является ухудшение трещиностойкости и термостойкости получаемого покрытия при работе изделий в условиях термоциклирования.
В основу настоящего изобретения положена задача - формирование комбинированного наноструктурного покрытия на изделиях из меди с верхним керамическим слоем с глобулярной зеренной структурой.
Технический результат - теплозащитное покрытие, обладающее высокой адгезионной прочностью, термостойкостью и стойкостью к образованию трещин при работе изделий в условиях термоциклирования и высоких температур.
Поставленная задача решается тем, что в способе нанесения комбинированного теплозащитного покрытия обрабатываемое изделие из меди размещают в вакуумной камере и осуществляют наноструктурирование поверхностного слоя изделия пучком ионов металла, затем осуществляют нанесение на поверхность изделия наноструктурного металлического подслоя, состоящего из титана или циркония, и последующее осаждение на него верхнего наноструктурного керамического слоя, имеющего глобулярную зерненную структуру и состоящего из оксида циркония, содержащего оксид иттрия от 2 ат.% до 8 ат.%.
Для получения верхнего керамического слоя, имеющего глобулярную зеренную структуру, осаждение верхнего керамического слоя проводят способом импульсного магнетронного нанесения покрытия с частотой следования импульсов тока на магнетроне до 50 кГц.
Кроме того, для осаждения верхнего керамического слоя используют круговой планарный магнетрон с композиционной циркониево-иттриевой мишенью, чтобы получить концентрацию иттрия в покрытиях в пределах от 2 ат.% до 8 ат.%.
Кроме того, в качестве рабочего газа при осаждении верхнего керамического слоя используют смесь кислорода и аргона в пропорции от 1:4 до 4:1.
Кроме того, температурный коэффициент линейного расширения наноструктурного металлического подслоя из титана или циркония имеет промежуточное значение между температурным коэффициентом линейного расширения материала подложки и верхнего керамического слоя.
2
Кроме того, наноструктурирование поверхностного слоя изделия осуществляют вакуумно-дуговым источником металлических ионов с плотностью тока 1,4÷2,6 мА/см в течение 5÷10 мин.
В данном изобретении использована технология получения комбинированных многослойных покрытий, включающая:
- наноструктурирование поверхностного слоя изделия ионным пучком для создания контролируемого структурно-фазового и напряженного состояния перед нанесением металлического подслоя;
- нанесение наноструктурного металлического подслоя, обладающего промежуточным значением температурного коэффициента линейного расширения между подложкой и верхним керамическим слоем для релаксации термических напряжений, возникающих в системе «покрытие - подложка» в условиях эксплуатации изделия;
- осаждение верхнего наноструктурного керамического слоя с глобулярной зеренной структурой, имеющего наименьшую теплопроводность и наибольшую окислительную стойкость, для выполнения покрытием основной теплозащитной функции.
Комбинация режимов осаждения слоев и наноструктурирования поверхности подложки, концентрация легирующего элемента иттрия, общее давление рабочей газовой смеси, парциальные давления аргона и кислорода выбирались индивидуально для каждого конкретного случая в зависимости от материала и условий работы изделия.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами.
На фиг.1А приведены концентрационные профили элементов, составляющих поверхностный слой подложки, выполненной из листовой меди, обработанной ионным пучком титана.
На фиг.1Б приведены концентрационные профили элементов, составляющих поверхностный слой подложки, выполненной из листовой меди, обработанной ионным пучком циркония.
На фиг.2А показано изображение поверхности наноструктурного покрытия Zr-Y-O с глобулярной зеренной структурой, полученной по предлагаемому способу.
На фиг.2Б показано изображение поверхности наноструктурного покрытия Zr-Y-O с глобулярной зеренной структурой, полученной по предлагаемому способу.
В дальнейшем изобретение поясняется примерами конкретного его выполнения.
2
Для нанесения покрытия использовали вакуумную установку типа «Квант», оборудованную вакуумно-дуговым источником металлических ионов с плотностью тока 1,4÷2,6 мА/см и круговым планарным магнетроном мощностью 5 кВт с композиционной циркониево-иттриевой мишенью диаметром 120 мм.
Основными критериями, определяющими режимы обработки, служили толщина комбинированного покрытия, составляющая от 30 до 100 мкм, прочность сцепления покрытия с основой, термо- и термоциклическая стойкость покрытия.
Пример 1. На образец из листовой меди марки M1 размером 30×20×2 мм наносили комбинированное покрытие по предлагаемому способу.
Вначале проводили наноструктурирование поверхностного слоя образца (подложки) ионным пучком титана. Условия обработки были следующие: энергия ионов - 800 эВ, ток разряда - 50 А, длительность обработки - 10 мин. На фиг.1А приведены концентрационные профили элементов, составляющих поверхностный слой образца, обработанный ионным пучком.
Далее, согласно предлагаемому способу методом вакуумно-дугового осаждения металла на подложку наносили наноструктурный металлический подслой из титана толщиной около 30 мкм.
Затем методом импульсного магнетронного распыления на изделие поверх металлического подслоя из титана наносили наноструктурное керамическое покрытие Zr-Y-O с глобулярной зеренной структурой. При этом композиционную мишень для магнетрона изготавливали с расчетом, чтобы получить концентрацию иттрия в покрытиях в пределах 2÷3 ат.%. Режим осаждения покрытия был следующий: ток магнетрона - 4 А, частота следования импульсов тока на магнетроне - 40 кГц, рабочий газ - кислород и аргон в пропорции 4:1 в течение всего процесса обработки.
При достижении толщины керамической пленки около 30 мкм процесс прекращали.
На фиг.2А показано изображение поверхности верхнего керамического наноструктурного покрытия Zr-Y-O с глобулярной зеренной структурой, полученного по примеру 1.
Химический состав полученного покрытия и измерение концентраций элементов, составляющих поверхностный слой подложки, исследовали методом масс-спектрометрии вторичных ионов с помощью прибора МС-7201М.
Изображение поверхности покрытия получали на сканирующем электронном микроскопе LEO EVO-50XVP.
Адгезию пленки определяли акустоэмиссионным методом с помощью прибора Revetest, CSM.
Стойкость покрытий к растрескиванию и отслоению при смене температуры оценивали по результатам термоциклирования образцов по следующему режиму: температура нагрева образцов - 1273 K, температура охлаждения образцов - 293 K, скорость нагрева-охлаждения - 20 град/сек. За критерий термоциклической стойкости покрытий принимали количество циклов до отслоения 50% площади покрытия от поверхности образца.
Пример 2. На образец из листовой меди марки M1 размером 30×20×2 мм наносили покрытие на основе оксида циркония, содержащего оксид иттрия.
При этом композиционную мишень для магнетрона изготавливали с расчетом, чтобы получить концентрацию иттрия в покрытиях в пределах 6÷8 ат.%.
Наноструктурирование поверхностного слоя изделия выполняли ионным пучком циркония при следующих условиях: энергия ионов - 900 эВ, ток разряда - 60 А, длительность обработки - 5 мин. На фиг.1Б приведены концентрационные профили элементов, составляющих поверхностный слой образца, обработанный ионным пучком.
Затем на подложку (образец) напыляли методом вакуумно-дугового осаждения наноструктурный металлический подслой из циркония толщиной около 30 мкм.
Далее, наносили наноструктурный керамический слой Zr-Y-O с глобулярной зеренной структурой. Режим осаждения покрытия при этом был следующий: ток магнетрона - 4 А, частота следования импульсов тока на магнетроне - 50 кГц, рабочий газ - кислород и аргон в пропорции 1:2 в течение всего процесса обработки.
Аналогично примеру 1 процесс прекращали при достижении толщины керамической пленки около 30 мкм.
На фиг.2Б показано изображение поверхности верхнего керамического наноструктурного покрытия Zr-Y-O с глобулярной зеренной структурой, полученного по примеру 2.
Пример 3. На образец из листовой меди марки M1 размером 30×20×2 мм наносили покрытие на основе оксида циркония, содержащего оксид иттрия.
При этом композиционную мишень для магнетрона изготавливали с расчетом, чтобы получить концентрацию иттрия в покрытиях в пределах 6÷8 ат.%.
Наноструктурирование поверхностного слоя изделия не выполняли.
На подложку наносили методом вакуумно-дугового осаждения наноструктурный подслой из циркония толщиной около 30 мкм.
Далее наносили наноструктурный керамический слой Zr-Y-O с глобулярной зеренной структурой. Режим осаждения покрытия при этом был следующий: ток магнетрона - 4 А, частота следования импульсов тока на магнетроне - 50 кГц, рабочий газ - кислород и аргон в пропорции 1:2 в течение всего процесса обработки.
Аналогично примеру 1 процесс прекращали при достижении толщины керамической пленки около 30 мкм.
В таблице приведены химический состав верхнего керамического слоя комбинированного покрытия, результаты измерения термоциклической стойкости и прочности сцепления покрытия с основой, полученные по примеру 1-3.
Пример
Химический состав, ат.%
Термоциклическая стойкость,
Прочность сцепления покрытия с основой,
Zr
Y
O
циклов
Н
1
31
2
67
11
2,9
2
27
6
67
20
6,3
3
27
6
67
3
1,3
Из приведенных в примерах, фигурах и таблице данных видно, что предлагаемое изобретение решает поставленную задачу получения комбинированных покрытий, обладающих высокой адгезионной прочностью, термостойкостью и стойкостью к образованию трещин при работе изделий из меди в условиях термоциклирования при высоких скоростях нагрева-охлаждения в температурном интервале 293-1273 K.
Источники информации
1. Патент РФ 2260071, МКИ C23C 4/04, C23C 4/12, 10.09.2005 / Способ нанесения теплозащитного эрозионно стойкого покрытия.
2. Патент РФ 2299126, МКИ B32B 15/04, B22F 7/04, 20.05.2007 / Способ нанесения уплотнительного покрытия.
3. Патент РФ 2305034, МКИ B32B 15/04, C23C 14/16, C23C 14/28, 27.08.2007 / Способ получения защитного покрытия на деталях.