Жаростойкое металлокерамическое покрытие и способ его нанесения

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении деталей с повышенной жаростойкостью. В жаростойком металлокерамическом покрытии, состоящем из чередующихся слоев тугоплавких окислов металлов, разделенных компенсационными слоями пластичного металла, слои тугоплавких окислов дополнительно содержат не более 40% пластичного металла, а компенсационные слои дополнительно содержат не более 20% тугоплавких окислов. Каждый компенсационный слой пластичного металла выполнен толщиной не более 100 нм и в 1,5-20 раз меньше толщины слоя керамики. В качестве тугоплавких окислов может использоваться оксид гафния или оксид циркония, а компенсационные слои содержат до 50% редкоземельных металлов. Чередующиеся оксидные и компенсационные слои напыляют с плавным изменением состава. 2 н. и 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении деталей с повышенной жаростойкостью.

Известен способ нанесения защитного эррозионно-стойкого покрытия, который 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 (Патент РФ N 2260071, МПК С23С 4/04, С23С 4/12, приор. от 30.09.2004, опубл. 10.09.2005).

Однако покрытие, получаемое по известному способу, принятому за прототип, имеет низкую адгезионную прочность.

Известно также жаростойкое металлокерамическое покрытие, состоящее из чередующихся слоев тугоплавких окислов металлов, разделенных компенсационными слоями пластичного металла, причем компенсационные слои выполняют из тех же металлов, окислы которых составляют основу тугоплавких металлокерамических слоев, а состав компонентов подбирается таким образом, что коэффициент термического расширения покрытия и основы отличается не более чем на 15% (Патент РФ N 2309194, МПК С23С 14/34, приор. от 11.01.2005, опубл. 27.10.2007), который принят за прототип.

Однако покрытие, получаемое по известному способу, принятому за прототип, имеет повышенную хрупкость.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение прочности и жаростойкости покрытия.

Поставленная техническая задача решается тем, что в жаростойком металлокерамическом покрытии, состоящем из чередующихся слоев керамики из тугоплавких окислов, разделенных компенсационными слоями пластичного металла, согласно предложенному изобретению слои керамики дополнительно содержат не более 40% пластичного металла, а компенсационные слои дополнительно содержат не более 20% тугоплавких окислов, при этом каждый компенсационный слой пластичного металла выполнен толщиной не более 100 нм и в 1,5-20 раз меньше толщины слоя керамики.

Кроме того, в качестве тугоплавких окислов используется оксид гафния или оксид циркония, а компенсационные слои содержат до 50% редкоземельных металлов.

Кроме того, чередующиеся оксидные и компенсационные слои выполнены с плавным изменением состава.

Способ получения жаростойкого металлокерамического покрытия по п. 1, заключающийся в том, что предварительно производят механическую очистку поверхности изделия, осуществляют ионную очистку внешней поверхности изделия, затем нагревают изделие до заданной температуры, наносят подслой из металла, идентичного металлу изделия, и наносят жаростойкое покрытие с чередующимися слоями металла и керамики посредством ионно-плазменного или магнетронного напыления, при этом регулируют соотношение компонентов в каждом слое в зависимости от заданных свойств слоев покрытия.

Технический результат заключается в повышении жаростойкости и прочности покрытия.

Предложенная совокупность существенных признаков заявляемого способа позволяет достичь как механической твердости, так и пластичности при малой толщине покрытия. Армирующие слои с повышенным содержанием металла позволяют исключить трещинообразование, сколы и хрупкое разрушение, повышают когезионную прочность покрытия. Наноструктурное состояние отдельных слоев повышает прочность получаемого покрытия, которая приближается к теоретической. При этом происходит плавное изменение свойств между слоями, что также повышает механические характеристики покрытия. Керамические слои дисперсно армируются металлическим компонентом, что значительно повышает их пластичность. При этом состав покрытия подбирается таким образом, что в процессе эксплуатации изделия металлические слои взаимодействуют с кислородом воздуха и образуют керамику, которая залечивает микродефекты покрытия.

Способ получения жаростойкого металлокерамического покрытия заключается в том, что предварительно производят механическую очистку поверхности изделия, осуществляют ионную очистку внешней поверхности изделия, затем нагревают изделие до заданной температуры, наносят подслой из металла, идентичного металлу изделия, и наносят жаростойкое покрытие с чередующимися слоями металла и керамики посредством ионно-плазменного или магнетронного напыления, при этом регулируют соотношение компонентов в каждом слое в зависимости от заданных свойств слоев покрытия.

Заявляемый способ получения жаростойкого металлокерамического покрытия заключается в том, что сначала производят механическую очистку и ионную полировку внешней поверхности изделия. Затем напыляют сепарированными плазменными потоками в среде аргона (вакуум 2,5⋅10^-3 мм рт.ст.) переходный подслой из металла, идентичного металлу изделия. В качестве такого металла выбирают, например, никель. После чего в камеру подают активный кислород.

В результате плазмохимических реакций образуется дисперсно-армированный слой с повышенным содержанием керамики толщиной до 100 нм при следующем процентном соотношении компонентов:

Керамика	60-100
Металл	остальное

Затем, уменьшая подачу кислорода, напыляют пластичный армирующий компенсационный слой с пониженным содержанием керамики, причем толщина данного слоя в 1,5-20 раз меньше толщины слоя с повышенным содержанием керамики, при следующем процентном соотношении компонентов:

Металл	80-100
Керамика	остальное

Последовательно напыляют чередующиеся слои с пониженным и повышенным содержанием керамики, при этом происходит плавное изменение свойств покрытия, что способствует увеличению его когезионной прочности.

При этом процентное соотношение компонентов всех слоев изменяют в зависимости от требуемых свойств. Все указанные выше интервалы толщин слоев выбраны исходя из экспериментальных исследований. При толщине слоев, выходящей за пределы указанных интервалов, наблюдается уменьшение прочности и надежности покрытия.

Примером реализации предлагаемого способа может служить процесс нанесения покрытия на серию лопаток газотурбинного двигателя из жаростойкого сплава ЖС6К.

Сначала производят механическую очистку поверхности изделия, после чего помещают его в вакуумную ионно-плазменную установку и создают вакуум 2⋅10^-5 мм рт.ст. При помощи источника газовой плазмы производят электронный разогрев изделий до температуры 350°C. Производят ионную очистку и полировку, которая включает, по крайней мере, две стадии:

- предварительная очистка путем обработки тлеющим зарядом, ток дуги 200 А, ускоряющее напряжение 250 В, среда - аргон, вакуум 5⋅10^-3 мм рт.ст., время обработки составляет 10-30 мин.

- финишная (ионная) очистка: нагрев до температуры 500°C, используется циркониевый катод, среда - аргон, вакуум 2,5⋅10^-3 мм рт.ст., ток дуги 200 А, ускоряющее напряжение 350 В.

Затем напыляют сепарированными потоками (ток дуги 200 А, ускоряющее напряжение 250 В, вакуум 2,5⋅10^-3 мм рт.ст., среда аргона) переходный подслой никеля толщиной 10 нм. После чего подают активный кислород. В результате плазмохимических реакций образуется дисперсно-армированный слой с повышенным содержанием керамики толщиной 50 нм, содержащий 20% никеля (Ni), 80% оксида гафния (HfO₂).

Затем уменьшают подачу кислорода, увеличивают вакуум до 0,5⋅10^-3 мм рт.ст. и таким образом получают пластичный армирующий компенсационный слой с пониженным содержанием керамики толщиной 10 нм, содержащий 90% никеля (Ni), 10% оксида гафния (HfO₂).

Напыляют 100 чередующихся слоев с пониженным и повышенным содержанием керамики.

После нанесения покрытия были произведены испытания микротвердости, адгезионной прочности и пластичности методами индентирования, склерометрии и сканирующей электронной микроскопии. В качестве сравнения использовались образцы, полученные по способу-прототипу.

Проведенные испытания показали, что по сравнению с образцами, полученными по способу-прототипу, образцы, полученные по заявляемому способу, имеют на 24% более высокую микротвердость и выдерживают на 31% более высокую критическую нагрузку, вызывающую отслоение покрытия. Кроме того, высокотемпературные испытания показали увеличение жаростойкости в 1,4 раза. Таким образом, можно заключить, что заявляемый способ обеспечивает достижение технического результата.

Жаростойкое металлокерамическое покрытие может быть нанесено с помощью известных в технике средств. Следовательно, оно соответствует критерию «промышленная применимость».

Использование заявляемого способа обеспечивает повышение прочности и жаростойкости металлокерамических покрытий.

1. Жаростойкое металлокерамическое покрытие, состоящее из чередующихся слоев керамики из тугоплавких окислов металлов и компенсационных слоев из пластичного металла, нанесенных на поверхность изделия, отличающееся тем, что слои керамики дополнительно содержат не более 40% пластичного металла, а компенсационные слои дополнительно содержат не более 20% тугоплавких окислов, при этом каждый компенсационный слой из пластичного металла выполнен толщиной не более 100 нм и в 1,5-20 раз меньше толщины слоя керамики.

2. Покрытие по п. 1, в котором в качестве тугоплавких окислов использован оксид гафния или оксид циркония, а компенсационные слои содержат до 50% редкоземельных металлов.

3. Покрытие по п. 1, в котором чередующиеся оксидные и компенсационные слои выполнены с плавным изменением состава.

4. Способ получения жаростойкого металлокерамического покрытия по п. 1, заключающийся в том, что предварительно производят механическую очистку поверхности изделия, осуществляют ионную очистку внешней поверхности изделия, затем нагревают поверхность изделия до заданной температуры, наносят подслой из металла, идентичного металлу изделия, затем осуществляют нанесение упомянутых чередующихся слоев металла и керамики посредством ионно-плазменного или магнетронного напыления, при этом регулируют соотношение компонентов в каждом слое в зависимости от заданных свойств слоев покрытия.