Наноструктурное композитное покрытие из оксида циркония

Данное изобретение можно использовать в производстве элементов турбинных двигателей и установок, на рабочих поверхностях которых необходимо сформировать покрытие, имеющие высокое значение адгезии и когезии.

Наноструктурное покрытие из оксида циркония, стабилизированного иттрием, наносят на поверхности из никелевого сплава методом ионно-лучевого напыления. Данное покрытие содержит градиентный переходной слой из градиентного нанокомпозитного материала, содержащего две фазы: металлическую фазу с составом, соответствующим составу защищаемой поверхности из никелевого сплава, и оксид циркония различной стехиометрии. Указанный слой содержит оксид циркония при неокисленном никелевом сплаве. Соотношение фаз в переходном слое меняется в зависимости от оксидной фазы, доля оксидной фазы увеличивается по мере увеличения толщины пленки. Изобретение может сформировать плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера.

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 напыления теплозащитного покрытия с использованием оксида циркония, стабилизированного Y2 O3, включающий послойное нанесение покрытия на изделие, и покрытие, полученное этим способом (Патент US 6180184, С23С 4/10, 30.01.2001 – прототип). Термобарьерное покрытие, согласно этому способу, получают из жаропрочных сплавов, стабилизированных иттрием, оксида циркония, которое послойно наносят с помощью вакуумного электронно-лучевого напыления. При этом получают покрытие, имеющее столбчатую структуру, проявляющуюся в одном или нескольких слоях. Недостатком получаемого покрытия 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. Решение данной проблемы, расслоение покрытия и его разрушение, достигается тем, что предложенное наноструктурное композитное покрытие из оксида циркония, стабилизированного иттрием, для поверхности из никелевого сплава, полученное методом ионно-лучевого напыления на подложки и представляющее собой наноструктурный материал, согласно изобретению содержит градиентный переходной слой из градиентного нанокомпозитного материала, содержащего две фазы: металлическую фазу с составом, соответствующим составу защищаемой поверхности из никелевого сплава, и оксид циркония различной стехиометрии, причем указанный слой содержит оксид циркония при неокисленном никелевом сплаве, при этом соотношение фаз в переходном слое изменяется с возрастанием доли оксидной фазы по мере увеличения толщины пленки.

Получение композитного покрытия

Для получения указанного наноструктурного композитного покрытия (далее – покрытие) используется магнетронная система с двумя магнетронами. При помощи первого магнетрона распыляют мишень, состав которой соответствует составу металлического изделия – никелевый сплав ХН71МТЮБ, а при помощи второго магнетрона распыляют мишень из циркония с добавками стабилизирующих элементов – иттрия. 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 увеличивается до давления 1,5*10^–3 Па, а мощность магнетрона, распыляющего металлический сплав, уменьшают вплоть до его полного отключения. После этого продолжают напыление чистого оксида циркония до достижения им требуемой толщины. В этом случае, в покрытии образуется 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, при этом соотношение фаз в переходном слое обеспечивается не постоянным, а переменным, с возрастанием доли оксидной фазы по мере увеличения толщины пленки.

В результате создания такого градиентного слоя образуется плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера. В этом случае, образованный 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.

Использование предложенного технического решения позволит создать наноструктурное композитное покрытие из оксида циркония, 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.