Способ нанесения теплозащитного покрытия



Способ нанесения теплозащитного покрытия
Способ нанесения теплозащитного покрытия
Способ нанесения теплозащитного покрытия
Способ нанесения теплозащитного покрытия

 


Владельцы патента RU 2467878:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) (RU)

Изобретение относится к вакуумной технологии нанесения теплозащитных покрытий на изделия из меди и может быть использовано в авиа- и машиностроении и других областях. Способ нанесения теплозащитного покрытия включает размещение изделия в вакуумной камере. Затем осуществляют наноструктурирование поверхностного слоя изделия пучком ионов металла с последующим нанесением на поверхность изделия наноструктурного металлического подслоя, состоящего из титана или циркония. Далее на металлический подслой осаждают верхний наноструктурный керамический слой из оксида циркония, содержащий оксид иттрия от 2 ат.% до 8 ат.% и имеющий глобулярную зеренную структуру. Полученное теплозащитное покрытие обладает высокой адгезионной прочностью, термостойкостью и стойкостью к образованию трещин при работе изделий в условиях термоциклирования и высоких температур. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил., 3 пр.

 

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.

Кроме того, наноструктурирование поверхностного слоя изделия осуществляют вакуумно-дуговым источником металлических ионов с плотностью тока 1,4÷2,6 мА/см2 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.

Для нанесения покрытия использовали вакуумную установку типа «Квант», оборудованную вакуумно-дуговым источником металлических ионов с плотностью тока 1,4÷2,6 мА/см2 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.

1. Способ нанесения теплозащитного покрытия на изделия из меди, включающий размещение изделия в вакуумной камере, наноструктурирование поверхностного слоя изделия пучком ионов металла, последующее нанесение на поверхность изделия наноструктурного металлического подслоя, состоящего из титана или циркония, и последующее осаждение на него верхнего наноструктурного керамического слоя из оксида циркония, содержащего оксид иттрия от 2 ат.% до 8 ат.% и имеющего глобулярную зеренную структуру.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наноструктурирование поверхностного слоя изделия осуществляют вакуумно-дуговым источником металлических ионов с плотностью тока 1,4÷2,6 мА/см2 в течение 5÷10 мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осаждение верхнего наноструктурного керамического слоя проводят способом импульсного магнетронного нанесения покрытия с частотой следования импульсов тока на магнетроне до 50 кГц.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для осаждения верхнего керамического слоя используют круговой планарный магнетрон с композиционной циркониево-иттриевой мишенью.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа при осаждении верхнего керамического слоя используют смесь кислорода и аргона в пропорции от 1:4 до 4:1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к керамическому порошку, а также к керамическому слою и многослойному материалу, полученным из этого порошка, и может быть использовано для создания теплоизолирующих материалов.

Изобретение относится к слоистым системам, наносимым методом PVD, а именно дуговым испарением. .

Изобретение относится к деталям, работающим в коррозионной атмосфере и при температурах, которые могут превышать 1300°С, в частности к деталям газовых турбин. .
Изобретение относится к области теплозащиты горячих частей нагревательных и энергетических установок и касается способа получения волокнистого теплоизоляционного материала.

Изобретение относится к сферическим керамическим элементам, таким как расклинивающие агенты, для поддержания проницаемости в подземных формациях, чтобы облегчить добычу из них нефти и газа.

Изобретение относится к технологии создания композиционных материалов (КМ) и способам изготовления корпусных элементов авиационно-ракетно-космических изделий. .

Изобретение относится к области изготовления прозрачных тонкопленочных теплозащитных покрытий, а именно способам нанесения покрытий методом реактивного магнетронного распыления на прозрачные полимерные подложки, такие как органические стекла или полимерные пленки.
Изобретение относится к производству теплоизоляционных изделий, содержащих керамические волокна и предназначенных для использования в строительном комплексе и промышленных футеровок тепловых агрегатов.

Изобретение относится к производству стройматериалов, содержащих керамические волокна и предназначенных для изготовления теплоизоляционных изделий. .
Изобретение относится к области поверхностного модифицирования полимерных изделий, металлизированных с одной или двух сторон. .

Изобретение относится к области создания новых композиционных материалов на основе пористых металлов и оксидной композиции и может быть использовано для приготовления металлокерамических мембран барометрических и мембранно-каталитических процессов, в частности, проявляющих каталитическую активность в превращении метанола до формальдегида.

Изобретение относится к изготовлению комбинированных конструктивных элементов, состоящих из металлов и полимеров. .

Изобретение относится к способу лазерной нагартовки и изделию для лазерной нагартовки. .

Изобретение относится к покрытиям с низкой излучательной способностью, в частности к покрытиям с низким коэффициентом солнечного теплопритока и улучшенной механической и химической стойкостью.

Изобретение относится к способу соединения разнородных материалов, имеющих различную пластичность, композиту разнородных материалов и электрохимическому устройству.
Изобретение относится к способу получения или восстановления керамического покрытия на металлической подложке из суперсплава на основе никеля и/или кобальта. .
Изобретение относится к голографическому гибкому тубному ламинату для упаковки и способу его изготовления. .

Изобретение относится к технологии получения формованных изделий и может быть использовано для получения многослойных элементов типа сэндвич. .
Наверх