Способ нанесения жаростойких покрытий y-мо-о из плазмы вакуумно-дугового разряда

Изобретение относится к способу нанесения жаростойких покрытий из плазмы вакуумно-дугового разряда и может быть использовано для повышения надежности и долговечности широкого ряда деталей машин и инструмента. Технический результат изобретения заключается в улучшении стойкости деталей к газовой коррозииии за счет получения равномерных сплошных покрытий требуемого стехиометрического состава (Y2Mo3O12, Y2MoO6 и Y6MoO12). Покрытие наносят из двух однокомпонентных катодов Мо и Y на подложку из композитного материала с молибденовой матрицей, армированной волокном на основе оксидов Al2O3 и двойных оксидов Y и Al, при подаче химически чистого кислорода в качестве реакционного газа. Покрытие получают при температурах, не превышающих 500°С, при которых подложка из композита на молибденовой основе не будет разрушаться при высоких температурах эксплуатации порядка 1300-1500°С. Кроме того, образцы с покрытиями, наносящимися в течение 65 минут, подвергают отжигу при температуре 950°С в течение 1 часа в воздушной атмосфере для кристаллизации молибдатов иттрия в покрытиях и стабилизации его структуры соответственно. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1пр., 1 табл.

 

Изобретение относится к области нанесения жаростойких покрытий из плазмы вакуумно-дугового разряда, в частности к получению износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойких покрытий, и может быть использовано для повышения надежности и долговечности широкого ряда деталей машин и инструмента.

Известен способ получения Mo-N покрытий, получаемых методом вакуумно-дугового осаждения (В.М. Шулаев, А.А. Андреев «ВЫСОКОТВЕРДЫЕ НАНОСТРУКТУРНЫЕ Mo-N ПОКРЫТИЯ»). Технологический процесс нанесения нитридного покрытия включает две основные операции: очистку подложки, осуществляемую за счет бомбардировки поверхности в течение 1-2 минут ионами молибдена, и конденсацию покрытия, которая проводилась на подложку из нержавеющей стали температурой 400-500°С со скоростью 20 мкм/ч и при давлении азота в реакционной камере от 10-3 до 1 Па. В процессе конденсации происходит образование перенасыщенных твердых растворов внедрений азота в молибдене, монофазного нитрида молибдена, а также смеси этих фаз.

Недостатком данного способа является улучшение только одного параметра - твердости покрытия, а также невозможность изменения его значений, о чем свидетельствует эффект скачкообразного прироста твердости. Низкие значения теплостойкости (не более 1100°С) также является недостатком данного способа.

Известен способ нанесения покрытия на металлическую подложку, включающий контактирование по меньшей мере части металлической подложки с составом для предварительной обработки, содержащим источник металла IIIB группы и/или металла IVB группы и источник меди; и затем контактирование по меньшей мере части металлической подложки с составом, содержащим смолу, образующую пленку, и источник иттрия (патент РФ №2411090, B05D 7/16, опубликован 10.02.2011 г.).

Недостатком данного способа является дороговизна процесса получения покрытия.

Известен способ получения жаростойкого покрытия методом термодиффузионной обработки сплавов в порошковой смеси, содержащей мас. %: хром 30-40; алюминий 3-12; активатор 0.2-0.5; никель-иттрий 4-6 и оксид алюминия, остальное - до 100%. Термодиффузионную обработку осуществляют ступенчато в вакууме не менее 9 ч, после чего полученные образцы с нанесенным покрытием охлаждают, затем подвергают закалке при температуре 1180-1280°С не менее 1 ч и отпуску при температуре 900°С не менее 2 ч. (патент РФ №2184797, С23С 10/56, C21D 1/78, опубликован 10.07.2002 г.).

Недостатками данного способа являются трудоемкость и длительность процесса получения покрытия.

Известен способ получения многослойных жаростойких покрытий на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов методом ионно-плазменного напыления. Данное покрытие содержит слой ZrN, нанесенный на предварительно отожженный в вакууме при температуре 1200°С в течение 1,5 часов углерод-углеродный композиционный материал на прямоточном катоде при токе 90 А, напряжении 1,5 кВ в течение 1,5 часов толщиной 20-30 мкм, средний слой из Ni22Cr10AIY в виде полых гранул указанного состава методом плазменного напыления в защитной атмосфере в аргон-водородной плазме толщиной 50-70 мкм и внешний теплоизоляционный слой в виде порошка Al2O3-TiO2 в смеси LaB6 фракцией 50-70 мкм и 60-160 мкм для повышения теплостойкости. Слои покрытия по толщине относятся между собой как 1:2, 5:5, то есть слой на изделии составляет 20-30 мкм, средний слой - 50-70 мкм, а внешний слой - 100-150 мкм, и выбраны так, чтобы напряжения в системе покрытия углерод-углеродный композиционный материал были ниже предела прочности покрытия (патент РФ №2621506, С23С 30/00, С04В 35/84, С23С 14/06, опубликован 06.06.2017 г.).

Недостатками аналога являются длительность процесса нанесения покрытия, небольшое время эксплуатации при высоких температурах (2000°С), а также большая толщина самого покрытия (в среднем 210 мкм).

Наиболее близким техническим решением является способ упрочнения блока сопловых лопаток турбомашин из никелевых и кобальтовых сплавов, включающий формирование многослойного жаростойкого покрытия на внешних поверхностях верхней и нижней полок блока и пера лопатки, в котором первый слой толщиной от 10 до 70 мкм наносят вакуумным ионно-плазменным, или электронно-лучевым, или магнетронным методом, с последующим диффузионным отжигом при температуре 1000-1050°С в течение от 2 до 5 ч в вакууме от 10-3 до 10-4 мм рт.ст., причем в качестве материала используют сплав состава: Si - от 4,0 до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное, второй жаростойкий слой толщиной от 8 до 60 мкм наносят вакуумным ионно-плазменным, или электронно-лучевым, или магнетронным методом при температуре 930-960°С в течение от 2 до 5 ч, причем в качестве материала используют сплав состава Cr - от 18 до 30%, Al - от 5 до 13%, Y - от 0,2 до 0,65%, Ni - остальное, вновь подвергают отжигу в вакууме от 10-3 до 10-4 мм рт.ст., затем газотермическим методом наносят дополнительный подслой толщиной от 5 до 20 мкм состава Cr - от 18 до 30%, Al - от 5 до 13%, Y - от 0,2 до 0,65%; Ni - остальное (патент РФ №2445199, В23Р 6/00, С23С 14/06, опубликован 20.03.2012 г.).

Недостатком данного способа является возникновение термических напряжений, приводящих к разрушению керамического покрытия из-за того, что внешний слой и подложка имеют разные коэффициенты термического расширения.

Задачей изобретения является увеличение срока службы деталей из молибденовых сплавов за счет применения защитных покрытий на основе молибдатов иттрия.

Техническим результатом данного изобретения является улучшение стойкости деталей к газовой коррозии, возможность получения равномерных сплошных покрытий требуемого стехиометрического состава (Y2Mo3O12, Y2MoO6 и Y6MoO12), а также их нанесение при температурах, не превышающих 500°С, при которых подложка из композита на молибденовой основе, армированной оксидным волокном, не будет разрушаться при высоких температурах эксплуатации порядка 1300-1500°С.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе нанесения жаростойких покрытий, согласно изобретению, осаждение из плазмы вакуумно-дугового разряда могут проводить с двух однокомпонентных катодов Мо и Y на подложку из композитного материала с молибденовой матрицей, армированной волокном на основе оксидов Al2O3 и двойных оксидов Y и Al, при подаче химически чистого кислорода в качестве реакционного газа, при этом покрытия могут получать при температурах, не превышающих 500°С, при которых подложка из композита на молибденовой основе не будет разрушаться при высоких температурах эксплуатации порядка 1300-1500°С.

Кроме того, согласно изобретению, образцы с покрытиями, наносящимися в течении 65 минут, могут подвергать отжигу при температуре 950°С в течении 1 часа в воздушной атмосфере для кристаллизации молибдатов иттрия в покрытии и стабилизации его структуры соответственно.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:

На фигуре 1 представлена схема установки ННВ-6,6-И1, где позиция 1 - источник питания, 2 - катод из молибдена, 3 - катод из иттрия, 4 - заготовка, 5 - металлическая плазма, 6 - газовая плазма, 7 - вакуумная камера. На фигуре 2 представлено схематичное изображение композита с покрытием, полученным по режиму №1, где 8 - композит с молибденовой матрицей (спектр 1 и спектр 2), 9 - адгезионный подслой покрытия (спектр 3), 10 - покрытие Y-Mo-O (спектр 4).

Пример конкретной реализации способа

Для нанесения покрытий использовалась установка ионно-плазменного напыления ННВ-6,6-И1, а в качестве подложки - образцы композитного материала с молибденовой матрицей, армированной волокном на основе оксидов Al2O3 и двойных оксидов Y и Al, а также образцы из нержавеющей стали 08Х18Н10.

Нанесение покрытий на основе молибдатов иттрия проводилось с двух однокомпонентных катодов из Мо и Y при температурах, не превышающих 500°С, по разработанной технологии в научно-исследовательской лаборатории. Давление в камере составляло 10-3 Па, потенциал на подложке 140-200 В, ток дуги электродуговых испарителей 50-150 А. Осаждение покрытий проводилось при подаче в камеру реакционного газа - химически чистого кислорода. Общее время нанесения покрытия составило 65 минут. Первый адгезионный подслой с пониженным содержанием кислорода наносился в течение 5 минут. Второй слой - покрытие из молибдатов иттрия - наносился в течение 60 минут.

С целью получения в составе покрытий молибдатов иттрия различного стехиометрического состава (Y2Mo3O12, Y2MoO6 и Y6MoO12), были использованы три экспериментально подобранные режима, каждый из которых отличается технологическими параметрами электродуговых испарителей и давлением реакционного газа. Для стабилизации структуры покрытиий образцы были подвергнуты отжигу при температуре 950°С в течении 1 часа в воздушной атмосфере, что привело к кристаллизации молибдатов иттрия в покрытии.

Исследование структуры показало, что полученные покрытия можно охарактеризовать как сплошные, без трещин и расслоений, толщиной около 35 мкм. По соотношению иттрия и молибдена проведен анализ соответствия химического состава покрытий стехиометрическим составам молибдатов иттрия Y2Mo3O12, Y2MoO6 и Y6MoO12, результаты которого приведены в таблице 1.

Как видно из данной таблицы, в результате энергодисперсионного химического анализа было обнаружено, что в покрытии Y2MoO6 в спектре 1 (оксидное волокно) содержится 48,34% кислорода (О), 22,86% алюминия (Al), 28,80% иттрия (Y) и 0% молибдена (Мо). В спектре 2 (молибденовая матрица) содержится 100% молибдена (Мо), остальные компоненты отсутствуют. В покрытии Y6MoO12 в спектре 3 (адгезионный подслой покрытия) содержится 47,86% кислорода (О), 0% алюминия (Al), 41,03% иттрия (Y) и 11,11% молибдена (Мо). В покрытии Y2Mo3O12 в спектре 4 (покрытие Y-Mo-O) содержится 66,18% кислорода (О), 0% алюминия (Al),6,85% иттрия (Y) и 26,98% молибдена (Мо). Представленные в таблице результаты свидетельствуют о возможности получении покрытия различного стехиометрического состава.

Итак, заявляемое изобретение позволяет наносить сплошные равномерные покрытия требуемого стехиометрического состава по всей поверхности детали, независимо от ее конфигурации, при температурах, не превышающих 500°С, без трещин и расслоений. Изобретение также позволяет, благодаря использованию высокотемпературных композитов с металлической матрицей, снизить массу конструкции без потери прочностных характеристик, а также повысить стойкость к газовой коррозии и продлить срок службы деталей из молибденовых сплавов за счет применения защитных покрытий на основе молибдатов иттрия.

Преимуществом данного изобретения также является возможность получения тонких (около 35 мкм) равномерных покрытий без трещин и расслоений, независимо от конфигурации подложки, за счет плазмохимических реакций и диффузионных процессов, протекающих при их росте. К преимуществам также относятся снижение массы конструкции без потери его прочностных характеристик, благодаря использованию высокотемпературных композитов с металлической матрицей, улучшение стойкости к газовой коррозии, обеспечение экологической чистоты процессов при производстве инструмента.

1. Способ нанесения жаростойких покрытий, включающий осаждение покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на подложку, отличающийся тем, что нанесение покрытия осуществляют на подложку из композитного материала с молибденовой матрицей, армированной волокном на основе оксидов Al2O3 и двойных оксидов Y и Аl, с подачей химически чистого кислорода в качестве реакционного газа из двух однокомпонентных катодов Мо и Y при температуре, не превышающей 500°С, при которой подложка из композита на молибденовой основе не будет разрушаться при высоких температурах эксплуатации порядка 1300-1500°С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что покрытие наносят в течение 65 минут и осуществляют отжиг при температуре 950°С в течение 1 часа в воздушной атмосфере для кристаллизации молибдатов иттрия в покрытии и стабилизации его структуры соответственно.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к получению стальных деталей, упрочненных под прессом и изготавливаемых из листов, содержащих покрытие на основе алюминия и цинковое покрытие, и обладающих хорошими характеристиками в отношении фосфатирования и, следовательно, хорошим сцеплением с краской.

Изобретение относится к области физики низкоразмерных структур, а именно к формированию наноразмерной тонкопленочной структуры, и может быть использовано в различных высокотехнологичных областях промышленности и науки для создания новых материалов.

Изобретение относится к нанесению антифрикционного слоя на металлические поверхности. Металлическую деталь устанавливают на магнитный диск диаметром 300 мм, который вращают со скоростью 50-52 об/ мин или на поворотный стол с диаметром 550 мм, которому сообщают возвратно-поступательное вращение на 180° со скоростью 1500 мм/мин.

Изобретение относится к способу получения тонких магнитных наногранулированных пленок. Способ включает последовательное осаждение на термостойкую подложку тонкой пленки оксида ферромагнитного металла и слоя металла-восстановителя при комнатной температуре с последующим вакуумным отжигом полученной двухслойной пленки.

Изобретение относится к способу получения на подложке пленок с ферромагнитными кластерами Mn5Ge3Ox в матрице GeO при низких температурах. Получаемая Mn5Ge3Ox фаза может быть использована в качестве элементов спинтроники.
Изобретение относится к способу формирования нанокристаллического поверхностного слоя на деталях из алюминиевых сплавов (варианты) и может быть использовано для обработки лопаток газотурбинных двигателей.
Изобретение относится к области медицины, а именно к способу нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия на ортопедические имплантаты из титана и нержавеющей стали, включающему нанесение покрытия на предварительно обработанную поверхность металлического имплантата, при этом поверхность металлических имплантатов из титана и нержавеющей стали подвергают очистке методом ионного травления в герметичной камере, которую предварительно вакуумируют до остаточного давления 9⋅10-5-1⋅10-6 Торр, с последующим заполнением камеры аргоном и вакуумированием камеры до остаточного давления 4⋅10-4-1⋅10-3 Торр, а ионное травление выполняют ионами аргона с энергией 0,7-3,0 кэВ в течение 4-8 мин, затем на поверхность ортопедических имплантатов из титана и из нержавеющей стали наносят дуальным распылением с двух магнетронных источников антиадгезивное антибактериальное покрытие в виде атомов серебра и углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C, причем используют магнетронный источник углеродной плазмы с мощностью 95-108 Вт, источник атомов серебра с мощностью 2-20 Вт и ионный источник стимулирования процесса нанесения покрытия ионами аргона с энергией ионов инертного газа аргона от 0,1 до 1,5 кэВ, а процесс нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия продолжают в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 4⋅10-4-1⋅10-3 Торр камере, при этом наносят на металлическую поверхность ортопедических имплантатов двухкомпонентное антиадгезивное антибактериальное биосовместимое нанопокрытие толщиной от 9 до 1180 нм, содержащее наногранулы шарообразной формы из высокочистого серебра не ниже 99,9% чистоты размером 4,5-9,5 нм со сформированным на их поверхности сплошным покрытием углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C толщиной 0,4-1,2 нм.

Изобретение относится к области изготовления тонкопленочных материалов и может быть использовано для создания полупроводниковых приборов, в частности тепловых приемников.

Изобретение относится к конструкционным изделиям ИК-оптики, обеспечивающим, наряду с основной функцией пропускания излучения в требуемом спектральном диапазоне, защитные функции приборов и устройств от воздействий внешней среды.

Изобретение относится к способу получения эпитаксиальной пленки дисилицида европия на кремниевой подложке и может быть использовано для создания контактов истока/стока в технологии производства полевых МОП транзисторов с барьером Шоттки (SB-MOSFET), а также для создания устройств спинтроники в качестве контакта-инжектора/детектора спин-поляризованных носителей.

Данное изобретение относится к мишени, в частности к распыляемой мишени, способу ее получения и способу вакуумного напыления с использованием упомянутой мишени. Мишень содержит пластину, состоящую из хрупкого материала, и монтажную пластину, которая скреплена по поверхности с пластиной мишени.

Изобретение относится к способу изготовления оксида индия-олова. Осуществляют напыление индия и олова из мишени на подложку.
Изобретение относится к способу защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении.

Изобретение относится к технике для нанесения покрытий на детали машин, более конкретно к вакуумным ионно-плазменным технологиям, и может быть использовано для нанесения эрозионностойких покрытий на лопатки блиска турбомашин.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов от эрозионного разрушения.

Изобретение относится к системе многослойных покрытий для коррозионно нагруженных деталей. Система покрытия для подложки включает первый, второй и третий слои, при этом первый слой выполнен как усиливающий сцепление слой, второй слой представляет собой пластичный металлический слой со столбчатой структурой, а самый верхний, третий, слой представляет собой керамический оксидный слой с твердостью по меньшей мере 20 ГПа.

Изобретение относится к устройству для получения композитной пленки из многоэлементного сплава. Устройство содержит нагревательную систему, систему подачи воздуха, систему охлаждения, вакуумную систему, вакуумную камеру, держатель, подъемный механизм, тигельный источник испарения, магнетронный источник распыления, источник катодной дуги и систему электрического управления.

Изобретение относится к напылению электропроводящего металл-углеродного многослойного покрытия на ленточную подложку из нетканого волокнистого материала, включающему подачу рабочего газа в вакуумную камеру с подложкой и ионно-плазменное напыление слоев покрытия на движущуюся с постоянной скоростью ленточную подложку магнетронным распылением.

Спусковой механизм (100) часов с улучшенной трибологией, включающий в себя первый компонент (2) и второй компонент (3), соответственно включающие в себя первую поверхность (20) трения и вторую поверхность (30) трения, выполненные с возможностью взаимодействия в контакте друг с другом, причем вторая поверхность (30) трения включает в себя по меньшей мере один материал на основе кремния, взятый из группы, включающей в себя кремний (Si), диоксид кремния (SiO2), аморфный кремний (a-Si), поликристаллический кремний (p-Si), пористый кремний или смесь кремния и оксида кремния, и причем первая поверхность (20) трения образована поверхностью твердого элемента, который выполнен из твердого нитрида кремния в стехиометрическом составе Si3N4.

Изобретение относится к области ионно-плазменного напыления многослойных пленок, в частности к устройству для получения многослойных пленок. Устройство содержит экранированную катод-мишень и подложкодержатель, расположенный в горизонтальном магнитном поле.

Изобретение относится к получению износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойких покрытий и может быть использовано в машиностроении для повышения надежности и долговечности широкого ассортимента деталей машин и инструмента.

Изобретение относится к способу нанесения жаростойких покрытий из плазмы вакуумно-дугового разряда и может быть использовано для повышения надежности и долговечности широкого ряда деталей машин и инструмента. Технический результат изобретения заключается в улучшении стойкости деталей к газовой коррозииии за счет получения равномерных сплошных покрытий требуемого стехиометрического состава. Покрытие наносят из двух однокомпонентных катодов Мо и Y на подложку из композитного материала с молибденовой матрицей, армированной волокном на основе оксидов Al2O3 и двойных оксидов Y и Al, при подаче химически чистого кислорода в качестве реакционного газа. Покрытие получают при температурах, не превышающих 500°С, при которых подложка из композита на молибденовой основе не будет разрушаться при высоких температурах эксплуатации порядка 1300-1500°С. Кроме того, образцы с покрытиями, наносящимися в течение 65 минут, подвергают отжигу при температуре 950°С в течение 1 часа в воздушной атмосфере для кристаллизации молибдатов иттрия в покрытиях и стабилизации его структуры соответственно. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1пр., 1 табл.

Наверх