СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ ИЗ ОКСИДА ЦИРКОНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ИЗДЕЛИЯ ИЗ НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА Российский патент 2016 года по МПК C23C14/35 

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 нанесения покрытия из оксида циркония на поверхность изделия из никелевого сплава композитного градиентного слоя со структурой металл-оксид и напыления пленки оксида циркония до достижения им требуемой толщины (BY 13516 С1, МПК: С23С 4/04, 30.08.2010 - 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 покрытия из оксида

циркония на поверхность изделия из никелевого сплава, 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 покрытия из оксида циркония на поверхность изделия из никелевого сплава, включающем формирование на поверхности изделия из никелевого сплава композитного градиентного слоя со структурой металл-оксид и напыление пленки оксида циркония до достижения ею требуемой толщины, согласно изобретению формирование упомянутого градиентного 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 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 давления 1,5*10^-3 Па, а мощность первого магнетрона, распыляющего мишень из никелевого сплава, уменьшают вплоть до его полного отключения.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Для повышения адгезионной прочности покрытия 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, никелевый сплав ХН71МТЮБ, а второй магнетрон распыляет мишень из циркония с добавками стабилизирующих элементов, например иттрий. 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 распыления 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 чистого 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 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.

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к напылению 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. Способ нанесения покрытия из оксида циркония на поверхность изделия из никелевого сплава включает формирование на поверхности изделия из никелевого сплава композитного градиентного слоя со структурой металл-оксид и напыление пленки оксида циркония до достижения ею требуемой толщины. Формирование упомянутого градиентного 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 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. 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 давления 1,5*10^-3 Па, а мощность первого магнетрона, распыляющего мишень из никелевого сплава, уменьшают вплоть до его полного отключения. Обеспечивается плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера.

Способ нанесения покрытия из оксида циркония на поверхность изделия из никелевого сплава, включающий формирование на поверхности изделия из никелевого сплава композитного градиентного слоя со структурой металл-оксид и напыление пленки оксида циркония до достижения ею требуемой толщины, отличающийся тем, что формирование упомянутого градиентного 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 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 давления 1,5*10^-3 Па, а мощность первого магнетрона, распыляющего мишень из никелевого сплава, уменьшают вплоть до его полного отключения.