RU2588973C2

RU2588973C2 - Method for treatment of working surfaces of parts of bladed machines

Info

Publication number: RU2588973C2
Application number: RU2014118299/02A
Authority: RU
Inventors: Олег Владимирович Стогней; Сергей Георгиевич Валюхов; Валерий Евгеньевич Бурыкин; Максим Сергеевич Филатов; Владимир Викторович Черниченко
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2016-07-10
Also published as: RU2014118299A

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to material science, particularly to methods of sputtering of heat shielding coating, and can be used in aircraft building and other fields of industry in production of parts of turbine engines and plants. Procedure for application of heat shielding coating on working surfaces of parts of blade machine includes application of plasma sputtering onto a prepared surface of parts from nickel-based alloy coating out of zirconium oxide stabilised by yttrium, wherein coating is created in it gradient transition layer by means of two magnetrons, wherein by means of first magnetron is sputtered a first target from nickel-based alloy, which corresponds to composition of alloy parts, and by second magnetron is sputtered a second target made of zirconium with additives of stabilising element yttrium, wherein sputtering of first target is carried out in an argon atmosphere so that intensity of atomic stream formed from first target exceeds intensity of atomic stream formed from second target, after formation of solid metal layer oxygen is fed into working chamber of sputtered coating zirconium oxide, during deposition of partial oxygen pressure is smoothly increased to 1.5*10^-3 Pa and first power of magnetron is decreased until its complete disconnection, sputtering is continued until formation of zirconium oxide stabilised by yttrium, required thickness to produce nanostructured coating containing metal phase with composition corresponding to composition of alloy protected surface part, and phase of zirconium oxide stabilised by yttrium, with increasing of part surface fraction phase of zirconium oxide.

EFFECT: use of disclosed method is aimed at formation of smooth transition from metallic material to oxide without interphase boundaries of macroscopic size, which enables to form on working surfaces of parts coating, having sufficiently high value of adhesion and cohesion.

1 cl

Description

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к способам напыления теплозащитных покрытий, и может найти применение в авиастроении и других областях машиностроения при производстве деталей турбинных двигателей и установок, которые требуют формирования на рабочих поверхностях покрытий, имеющих достаточно высокое значение адгезии и когезии.The invention relates to the field of materials science, in particular to methods of spraying heat-protective coatings, and can find application in aircraft and other areas of mechanical engineering in the production of parts for turbine engines and installations that require the formation on the working surfaces of coatings having a sufficiently high value of adhesion and cohesion.

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.Currently, when creating a coating with specified properties by the method of layer-by-layer spraying, macrophase interfaces are formed in planes parallel to the surface being treated, and under cyclic thermal loads, the difference in the thermal expansion coefficients can lead to delamination of the coating and its destruction.

Известен способ напыления теплозащитного покрытия с использованием оксида циркония, стабилизированного Y₂O₃, включающий послойное нанесение покрытия на изделие (Патент US 6180184, C23C 4/10, 30.01.2001 - прототип).A known method of spraying a thermal barrier coating using zirconia stabilized with Y ₂ O ₃ , including layer-by-layer coating of the product (Patent US 6180184, C23C 4/10, 01/30/2001 - prototype).

Согласно этому способу, получают термобарьерное покрытие 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.According to this method, a thermal barrier coating is obtained from heat-resistant alloys stabilized with yttrium zirconium oxide, which is layer-by-layer applied using vacuum electron beam spraying. This gives a coating having a columnar structure, manifested in one or more layers.

Недостатком способа 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.The disadvantage of this method is the ability to obtain through porosity, leading to corrosion of the substrate and to the destruction of the coating. In addition, in the process of layer-by-layer deposition, interfacial boundaries are formed in planes parallel to the surface, and with cyclic thermal loads, the difference in the values of thermal expansion coefficients can lead to delamination of the coating and its destruction.

Задачей предложенного технического решения является устранение указанных недостатков и создание способа нанесения оксидного покрытия на металлическую поверхность, применение которого позволит сформировать плавный переход от металлического материала к оксидному покрытию без межфазной границы макроскопического размера.The objective of the proposed technical solution is to eliminate these drawbacks and create a method of applying an oxide coating on a metal surface, the use of which will form a smooth transition from a metal material to an oxide coating without a macroscopic interface.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном способе обработки рабочих поверхностей деталей лопастных машин, включающем нанесение защитного оксидного покрытия на предварительно механически обработанные и подготовленные поверхности деталей, последующее формирование на металлической поверхности композитной структуры металл-оксид при совместном реактивном распылении металлов, согласно изобретению в наносимом покрытии создают градиентный переходной слой из градиентного нанокомпозитного материала, содержащего две фазы: металлическую фазу с составом, соответствующим составу защищаемой поверхности, которую располагают в непосредственной близости от защищаемой поверхности, и диэлектрическую фазу, преимущественно оксид циркония различной стехиометрии, которую наносят на упомянутую металлическую фазу, при этом соотношение фаз в переходном слое изменяют с возрастанием доли оксидной фазы по мере увеличения толщины пленки, обеспечивая при этом плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера.The solution to this problem is achieved by the fact that in the proposed method for processing the working surfaces of parts of blade machines, including applying a protective oxide coating on pre-machined and prepared surfaces of the parts, the subsequent formation on the metal surface of a composite metal-oxide structure with joint reactive spraying of metals, according to the invention in the applied coating create a gradient transition layer of a gradient nanocomposite material containing two The basics: a metal phase with a composition corresponding to the composition of the surface to be protected, which is located in the immediate vicinity of the surface to be protected, and a dielectric phase, mainly zirconium oxide of various stoichiometry, which is applied to the said metal phase, while the phase ratio in the transition layer changes with increasing oxide fraction phase as the film thickness increases, while ensuring a smooth transition from a metal material to an oxide without a macroscopic interface.

В варианте применения способа для создания упомянутого градиентного переходного слоя используют магнетронную систему с двумя магнетронами, причем при помощи первого магнетрона распыляют мишень с металлическим сплавом, состав которого соответствует составу металлического изделия, и, преимущественно, содержащую никель, а при помощи второго магнетрона распыляют мишень из циркония с добавками стабилизирующих элементов, преимущественно, иттрия, причем первоначальное распыление мишеней осуществляют в атмосфере аргона таким образом, что интенсивность атомного потока, сформированного от первой никелевой мишени, превышает интенсивность атомного потока от циркониевой мишени, при этом после формирования первичного сплошного металлического слоя в рабочую камеру добавляют кислород и придают процессу напыления характер реактивного с образованием в напыляемой пленке оксида циркония при неокисленном никеле, при этом в процессе напыления парциальное давление кислорода плавно увеличивают до давления порядка 1,5*10^-3 Па, а мощность первого магнетрона, распыляющего мишень с металлическим сплавом, уменьшают вплоть до его полного отключения, после чего продолжают напыление чистого оксида циркония до достижения им требуемой толщины.In an application of the method, a magnetron system with two magnetrons is used to create the aforementioned gradient transition layer, whereby a target with a metal alloy, the composition of which corresponds to the composition of the metal product, and mainly containing nickel, is sprayed using the first magnetron, and a target from zirconium with additives of stabilizing elements, mainly yttrium, and the initial sputtering of the targets is carried out in an argon atmosphere in such a way that the intensity of the atomic flux generated from the first nickel target exceeds the intensity of the atomic flux from the zirconium target, and after the formation of the primary continuous metal layer, oxygen is added to the working chamber and the deposition process is reactive with the formation of zirconium oxide in the sprayed film with unoxidized nickel, while during the deposition, the oxygen partial pressure is gradually increased to a pressure of about 1.5 x 10 ^-3 Pa, and the power of a first magnetron sputtering target with meta -crystal alloy is reduced until it is completely off, and then continue spraying pure zirconium oxide until it reaches the desired thickness.

Предложенный способ реализуется следующим образом.The proposed method is implemented as follows.

Для повышения адгезионной прочности покрытия из оксида циркония, стабилизированного иттрием, напыляемого на рабочие поверхности деталей лопастных машин, создают 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. Соотношение фаз в переходном слое обеспечивают не постоянным, а изменяют с возрастанием доли оксидной фазы по мере увеличения толщины пленки. В результате создания такого градиентного слоя формируется плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера.To increase the adhesion strength of the yttrium stabilized zirconia coating sprayed onto the working surfaces of the blade machine parts, a transition layer is made of a gradient nanocomposite material containing two phases: a metal phase with a composition corresponding to the composition of the surface to be protected, and a dielectric phase, zirconium oxide itself of various stoichiometry. The phase ratio in the transition layer is not constant, but varies with increasing proportion of the oxide phase as the film thickness increases. As a result of creating such a gradient layer, a smooth transition is formed from a metal material to an oxide without a macroscopic interface.

Для создания указанного градиентного переходного слоя используется магнетронная система с двумя магнетронами. Первый магнетрон распыляет мишень, состав которой соответствует составу металлического изделия, например никелевый сплав ХН71МТЮБ, а второй магнетрон распыляет мишень из циркония с добавками стабилизирующих элементов, например иттрий. 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.To create the specified gradient transition layer, a magnetron system with two magnetrons is used. The first magnetron sprays a target whose composition corresponds to the composition of a metal product, for example, KhN71MTUB nickel alloy, and the second magnetron sprays a zirconium target with additives of stabilizing elements, for example yttrium. The initial sputtering of targets is carried out in an argon atmosphere, and the intensity of the atomic flux generated from the nickel target exceeds the intensity of the atomic flux from the zirconium target. After the formation of the primary continuous metal layer, oxygen is added to the working chamber, after which the deposition process becomes reactive - oxide begins to form in the sprayed film. Due to different binding energies in nickel oxide and zirconium oxide, zirconium oxide forms in the coating being formed, while nickel remains unoxidized.

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 плавно увеличивается до давления порядка 1,5*10^-3 Па, а мощность магнетрона, распыляющего металлический сплав, уменьшается вплоть до его полного отключения. После этого продолжается напыление чистого оксида циркония до достижения им требуемой толщины.Thus, as a result of the simultaneous sputtering of a nickel alloy and zirconium in a mixed oxygen-argon atmosphere, a metal-oxide composite material is deposited. In the sputtering process, the oxygen partial pressure increases gradually to a pressure of about 1.5 x 10 ^-3 Pa, a magnetron power spraying metal alloy decreases until its complete disconnection. After this, the deposition of pure zirconium oxide continues until it reaches the required thickness.

В этом случае формируемый 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.In this case, the formed gradient layer is not only composite, but also nanostructured, since the characteristic sizes of inclusions of each phase are from units to several tens of nanometers depending on the volume fraction of the phase.

Полученная наноструктурированность не только повышает механическую прочность покрытия, но и приводит к изотропному распределению внутренних напряжений при циклических термонагрузках, что повышает жаропрочность и жаростойкость покрытия.The obtained nanostructured structure not only increases the mechanical strength of the coating, but also leads to an isotropic distribution of internal stresses under cyclic thermal loads, which increases the heat resistance and heat resistance of the coating.

Использование предложенного технического решения позволит создать способ нанесения оксидного покрытия на металлическую поверхность, 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.Using the proposed technical solution will allow you to create a method of applying an oxide coating on a metal surface, the use of which will form a smooth transition from a metal material to an oxide without a macroscopic interface, which, ultimately, will increase the mechanical strength of the coating and will lead to an isotropic distribution of internal stresses cyclic thermal loads, which will increase the heat resistance and heat resistance of the coating.

Claims

Способ нанесения теплозащитного покрытия на рабочие поверхности детали лопастной машины, включающий нанесение плазменным напылением на предварительно подготовленные поверхности детали из сплава на основе никеля покрытия из оксида циркония, стабилизированного иттрием, отличающийся тем, что нанесение покрытия осуществляют созданием в нем градиентного переходного слоя с помощью двух магнетронов, при этом посредством первого магнетрона распыляют первую мишень из сплава на основе никеля, состав которого соответствует составу сплава детали, а посредством второго магнетрона распыляют вторую мишень из циркония с добавками стабилизирующего элемента иттрия, причем сначала распыление мишеней осуществляют в атмосфере аргона таким образом, чтобы интенсивность атомного потока, сформированного от первой мишени, превышала интенсивность атомного потока, сформированного от второй мишени, при этом после формирования на поверхности детали сплошного металлического слоя в рабочую камеру подают кислород для формирования в напыляемом покрытии оксида циркония, при этом в процессе напыления парциальное давление кислорода плавно увеличивают до 1,5*10^-3 Па, а мощность первого магнетрона уменьшают до его полного отключения, затем продолжают напыление до формирования оксида циркония, стабилизированного иттрием, требуемой толщины, при этом получают наноструктурированное покрытие, содержащее металлическую фазу с составом, соответствующим составу сплава защищаемой поверхности детали, и фазу из оксида циркония, стабилизированного иттрием, с возрастающей от поверхности детали долей фазы оксида циркония. A method of applying a heat-protective coating to the working surfaces of a blade part of a machine, including applying plasma spraying to previously prepared surfaces of a nickel-based alloy of a yttrium stabilized zirconia oxide coating, characterized in that the coating is carried out by creating a gradient transition layer in it using two magnetrons wherein, by means of the first magnetron, the first target is made of a nickel-based alloy, the composition of which corresponds to the composition of the de tali, and by means of a second magnetron, a second target is made of zirconium with the addition of a stabilizing element of yttrium, and the targets are first sputtered in an argon atmosphere so that the intensity of the atomic flux generated from the first target exceeds the intensity of the atomic flux generated from the second target, after the formation of a continuous metal layer on the surface of the part, oxygen is supplied to the working chamber to form zirconium oxide in the sprayed coating, while in the process apyleniya oxygen partial pressure gradually increased to 1.5 x 10 ^-3 Pa, and the power of the first magnetron is reduced until it is completely off, and then continue spraying until the formation of zirconium oxide stabilized with yttrium, the desired thickness, the obtained nanostructured coating, comprising a metallic phase with the composition corresponding to the alloy composition of the protected surface of the part, and the phase of zirconium oxide stabilized with yttrium, with a fraction of the phase of zirconium oxide increasing from the surface of the part.