Двуслойное керамическое покрытие

 

Использование: в области защитных покрытий на деталях, подвергающихся в процессе эксплуатации воздействию высокой температуры и частых теплосмен. Сущность изобретения: введение во внешний керамический слой оксида алюминия в количестве 4 - 16 мас.% (при этом содержание Y₂O₃ составляет 1 - 12 мас.% ZrO₂ - остальное, позволяет увеличить плотность внешнего керамического слоя. Достигнутое снижение газопроницаемости керамики и соответственно повышение термостойкости керамического покрытия позволяет увеличить общую толщину керамического покрытия (до 150 - 200 мкм), при этом отношение толщин внутреннего пористого и внешнего плотного керамического слоев составляет 0,3 - 20,0. 2 табл.

Изобретение относится к защитным покрытиям на деталях, подвергающихся в процессе эксплуатации частым теплосменам, воздействию высоких температур, агрессивных сред и эрозии, например детали ДВС и ГТД. Проблема повышения ресурса защищаемых деталей в условиях растущих температуры и агрессивности окружающей среды решается путем использования керамических покрытий, обладающих жаро- и коррозионной стойкостью и служащих термическим барьером на пути теплового излучения. Наиболее широко применяемыми являются керамические покрытия на основе диоксида циркония, содержащего 6-8% стабилизирующей добавки - оксида иттрия, - благодаря их более высокой термостойкости по сравнению с другими оксидными покрытиями. Для релаксации возникающих при теплосменах внутренних напряжений и повышения термостойкости керамическое покрытие выполняют пористым или придают ему столбчато-сегментированную микроструктуру. При испарении частично стабилизированного диоксида циркония в вакууме и его конденсации на вращающейся детали получают столбчатую микроструктуру керамического покрытия, в несколько раз превосходящую по термостойкости плазменно-напыленные. Существенным недостатком подобных покрытий является то, что в процессе эксплуатации вследствие проницаемости керамического слоя через поры, микротрещины (или межстолбчатые пустоты) происходит проникновение агрессивной среды сквозь покрытие, окисление и коррозия защищаемой детали, приводящее к скалыванию керамики. От этого недостатка свободно двухслойное керамическое покрытие, выбранное в качестве прототипа, получаемое плазменным напылением и состоящее из внутреннего пористого слоя (предпочтительно ZrO₂, 8% Y₂O₃) толщиной 12,5-87,5 мкм и внешнего плотного слоя (получаемого путем лазерного оплавления ZrO₂ - Y₂O₃, ZrO₂ - MgO, ZrO₂ - CaO или Al₂O₃) толщиной 12,5-37,5 мкм, причем общая толщина двухслойного керамического покрытия не должна превышать 100 мкм для предотвращения его скалывания. Такая конструкция керамического покрытия позволяет снизить газопроницаемость керамики, повысить стойкость против низкотемпературной коррозии. Основными недостатками такого покрытия являются небольшая толщина (что не позволяет его использовать в качестве теплозащитного) и технологическая сложность получения (двухступенчатое нанесение и последующая лазерная обработка керамики). Кроме того, авторы не рекомендуют использовать разработанное покрытие при температуре выше 1310 К из-за опасности его растрескивания. Целью изобретения является повышение термостойкости и жаростойкости покрытия за счет снижения газопро- ницаемости и увеличения толщины керамической композиции по сравнению с известными вариантами покрытий. Поставленная цель достигается следующим образом. В состав внешнего плотного керамического слоя вводят 4-16 мас. % Al₂O₃ (при этом содержание Y₂O₃ составляет 2-12 мас. % ZrO₂ - остальное), что позволяет снизить газопроницаемость керамики, повысить ее толщину и термостойкость, при этом отношение толщины внутреннего пористого и внешнего плотного керамического слоев составляет 0,3-20,0. Введение Al₂O₃ в систему ZrO₂ - Y₂O₃ более чем в 3 раза снижает газопроницаемость керамики. Это достигается благодаря тому, что оксид алюминия, практически не образуя твердых растворов с диоксидом циркония, выделяется в виде высокоплотных включений по границам столбчатых кристаллитов диоксида циркония, т.е. обеспечивает их более полное срастание между собой и уплотнение керамики. Наряду с этим сохраняющаяся столбчатая микроструктура, благоприятная с точки зрения релаксации возникающих напряжений, позволяет увеличить толщину плотного керамического слоя (по сравнению с прототипом) без опасности его фрагментации или растрескивания. Заявляемое покрытие получают методом электронно-лучевой технологии - последовательным испарением соот- ветствующих материалов и их конденсацией в вакууме - на промышленных электронно-лучевых установках типа УЭ-137, УЭ-175М, УЭ-187, оборудованных многотигельными испарителями. В качестве материалов для получения двухслойного керамического покрытия использовали спеченные штабики, ZrO₂ - (2-12 мас. %) - Y₂O₃ и ZrO₂ -(2 - 12 мас. %) Y₂O₃ - (4 - 16 мас. %) Al₂O₃, полученные по штатной технологии. Образцы (с ранее нанесенным подслоем Me-Cr-Al-Y) помещали в кассеты, являющиеся технологической оснасткой для их вращения в паровом потоке в рабочей камере и осаждения испаряемых материалов. Температура поверхности конденсации составляет 1093-1373 К и определяется материалом защищаемой детали. Испарение керамики ведут при скоростях конденсации 1,1-2,3 мкм/мин, что позволяет сформировать столбчатую структуру покрытия с оптимальными свойствами. Вначале наносится внутренний пористый керамический слой, предпочтительно ZrO₂ - (6 - 8 мас. %) Y₂O₃. По достижению его необходимой толщины, не прекращая испарения ZrO₂ - Y₂O₃ оснастку перемещают, располагая ее над ZrO₂ - Y₂O₃ - Al₂O₃ и начинают осаждать, прекратив испарение пористой керамики, внешний плотный керамический слой. Время нанесения покрытия, толщина его слоев определяется необходимой суммарной толщиной керамического покрытия, его функциональными задачами, типом защищаемой детали. Табл. 1 и 2 иллюстрируют термостойкость однослойных и двухслойных керамических покрытий на цилиндрических образцах из сплава ЧС70ВИ в зависимости от химического состава и толщины керамики. В качестве подслоя использовали конденсационное покрытие Со- (20 - 22 мас. %) Cr- (10 - 11 мас. %) Al- (0,1 мас. % Y) толщиной 90 мкм. Испытания на термостойкость проводились на воздухе по режиму 323 1373 К с выдержкой при Т_макс в течение 20 мин (время нагрева и охлаждения составляло соответственно 4 и 6 мин). Термостойкость определяли по количеству термоциклов до разрушения керамики - скалывания покрытия более чем с 50% поверхности. Долговечность двухслойного керамического покрытия возрастает по мере увеличения его толщины, причем во всех случаях оно превосходит по термостойкости базовое однослойное керамическое покрытие. Толщина обедненной алюминием зоны на поверхности подслоя Co - Cr - Al - Y в случае его защиты двухслойным керамическим покрытием была в 3-4 раза меньше, чем при использовании однослойного керамического покрытия такой же толщины. Этот факт свидетельствует о снижении газопроницаемости двухслойного покрытия. В настоящее время двухслойные керамические покрытия нанесены на накладки поршней современного дизельного двигателя, которые переданы для стендовых испытаний.

Формула изобретения

ДВУСЛОЙНОЕ КЕРАМИЧЕСКОЕ ПОКРЫТИЕ, содержащее керамическую композицию на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, состоящую из внутреннего пористого слоя и внешнего плотного слоя, отличающееся тем, что, с целью увеличения термостойкости и жаростойкости покрытия за счет снижения газопроницаемости и увеличения толщины керамической композиции, внешний плотный керамический слой дополнительно содержит оксид алюминия при следующем содержании исходных компонентов, мас.% Оксид иттрия - 2 - 12 Оксид алюминия - 4 - 16 Диоксид циркония - Остальное при этом отношение толщин внутреннего пористого и внешнего плотного керамических слоев составляет 0,3 - 20,0.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000        

---