Парофазне осадження керамічних покриттів

Реферат: Винахід належить до галузі металургії, а саме до способу та пристрою для нанесення керамічного покриття на підкладку. Пристрій для цього включає камеру осадження, тигель, що утримує розплав матеріалу покриття, який випаровується, при цьому передбачено засіб обертання розплаву під час осадження та контролювання процесу осадження покриття. Спосіб включає застосування цього пристрою та контролювання засобу обертання розплаву для спрямування шлаку, який спливає на поверхню розплаву, до периферії розплаву для мінімізації утворення бризок та крапель розплавленого матеріалу та потрапляння їх на підкладку. Винахід забезпечує підвищення якості покриття. UA 115118 C2 (12) UA 115118 C2 UA 115118 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі металургії, а саме - до способу фізичного парофазного осадження керамічних покриттів і пристрою для його здійснення. Багато компонентів газотурбінного двигуна зазнають дії високих температур. Зазвичай такими компонентами є вкриті металеві частини/деталі (підкладки з покриттям). Типовими матеріалами підкладок є жаростійкі сплави на основі нікелю. Типовими покриттями є багатошарові керамічні теплозахисні покриття (ТЗП). Пропонувалися різні системи осадження та технології для нанесення таких покриттів. До цих технологій належить парофазне осадження з електронно-променевим випаровуванням (ЕППФО). При ЕППФО електронний промінь застосовують для випаровування матеріалу покриття зі злитка. Типовий злиток має номінальний склад, такий самий, як склад шару покриття, що має наноситися. Однак деякі речовині/елементи зі злитка можуть втрачатися з потоку пари. Як найбільш характерний приклад - кисень може бути втрачений зі злитків, які містять оксид цирконію (ZrO2). У реакційній системі ЕППФО додають реактивний газ (тобто, кисень) для компенсації втрати кисню. В основному процесі ЕППФО випарені керамічні матеріали надходять на підкладку з тепловою енергією, яка відповідає температурі випаровування матеріалу злитка. Цей рівень енергії може бути надто низьким для утворення достатньо щільного, добре зв'язаного й стійкого до ерозії покриття. Застосування додаткового нагрівання підкладки лише частково розв'язує цю проблему. Можуть застосовуватися збільшення швидкості випаровування та температури пари. Однак підвищення швидкості та температури може викликати розбризкування рідкого матеріалу й забризкування твердого матеріалу цими краплями та їх потрапляння на підкладку і викликання неоднорідності / дефектів покриття. Один аспект винаходу стосується пристрою для нанесення покриття на підкладку. Пристрій включає камеру осадження та тигель для утримання розплаву матеріалу покриття та засобу обертання розплаву, виконаного з можливістю його контролю для спрямування відшлакованих матеріалів, які спливають на поверхню розплаву, до периферії розплаву для мінімізації утворення бризок та крапель розплавленого матеріалу та потрапляння їх на поверхню підкладки. Пристрій включає засіб обертання розплаву. Обертання створює відцентровий ефект. Відцентровий ефект може спрямовувати відшлаковані матеріали, які спливають на поверхню розплаву, до периферії розплаву та твердої межі/кромки/краю розплаву з метою мінімізації утворення бризок та крапель розплавленого матеріалу і забруднення ними підкладки з покриттям. У різних варіантах втілення матеріал покриття може складатися по суті з одного або кількох керамічних матеріалів. Пристрій також може включати електронно-променеву гармату, розташовану для спрямування електронного променя на розплав. Пристрій також може включати плазмотрон. З плазмотроном може бути з'єднане джерело кисню. Пристрій також може включати радіочастотну (РЧ) антену. Пристрій також може включати злиток з матеріалу покриття. Пристрій може функціонувати шляхом плавлення злитка для утворення розплаву. Засоби обертання розплаву можуть регулюватися. Деталі одного або кількох варіантів втілення викладено на супровідних фігурах та у представленому нижче описі. Інші особливості, цілі та переваги стануть зрозумілими з опису та фігур і з формули винаходу. Фіг.1 є частково схематичним виглядом системи осадження. Фіг.2 є збільшеним виглядом зони розплаву системи. Фіг.3 є частково схематичним виглядом плазмотрона для генерації кисневої плазми. Подібні номери та позначення на різних кресленнях вказують на подібні елементи. Фіг. 1 показує систему осадження 20, яка включає камеру 22, яка має внутрішній простір 24. Підкладка 26 утримується у камері за допомогою тримача 28 для підкладки (наприклад, затискного пристрою, зубчастої рейки або іншого подібного засобу). Типовою підкладкою є компонент газотурбінного двигуна (наприклад, з жаростійкого сплаву на основі нікелю). Джерело матеріалу осадження (матеріалу покриття) включає злиток 30, який має вісь 500. Типові матеріал осадження та злиток є керамічними (наприклад, такими, що містять принаймні 50 мас. % одного або кількох компонентів, вибраних з групи, до якої належать стабілізований гадолінієм оксид цирконію (GSZ) та стабілізований ітрієм оксид цирконію (YSZ)). Більш конкретно, типовий матеріал по суті складається з 7YSZ. Злиток тримають для поступового введення у внутрішній простір камери в осьовому напрямку 502. Типовий злиток має верхній кінець, який приймається у тигель 34. Електронно-променева гармата 40 розташовується таким чином, щоб спрямовувати електронний промінь 42 на тигель. Більш конкретно, промінь 42 1 UA 115118 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 спочатку може бути спрямований на верхній кінець злитка, який після достатнього нагрівання розплавляється для утворення розплаву 44. Промінь може продовжувати спрямовуватися до розплаву 44 для підтримання теплоти у розплаві. Крім того, може відбуватися додаткове нагрівання через тигель. На Фіг. 2 більш детально показано блок злитка/тигля. Джерело вакууму 50 (наприклад, один або кілька вакуумних насосів) може бути з'єднане з камерою для відкачування та підтримання внутрішнього простору камери на потрібному низькому рівні тиску. Фіг. 1 також показує джерело напруги зміщення 60 для подачі напруги зміщення (U B) на підкладку. РЧ-антена 70 з'єднується з джерелом напруги 72 для приймання РЧ-напруги UΑ. РЧантену 70 оточує простір між тиглем 34 (розплавом 44 на верхній поверхні 30 злитка) та підкладкою, таким чином, щоб оточувати простір, у якому випарені матеріали летять до підкладки. РЧ-антена 70 може належати до різних типів. Прикладом такого типу є РЧ - індуктор, який оточує простір між злитком та підкладкою. Він може являти собою індуктор з однією котушкою або кілька часткових індукторів, з'єднаних паралельно і розташованих послідовно уздовж простору між злитком та підкладкою. РЧ-індуктор може бути виконаний з мідної труби, яка охолоджується водою. Типова робоча частота джерела напруги 72 становить 0,066-40,68 МГц (у більш вузькому діапазоні - 0,44-13,56 МГц); типове робоче значення РЧ - напруги UA становить 0,1-10,0 кВ (у більш вузькому діапазоні - 1-5 кВ). Застосування антени 70 для генерації плазми у камері 22 обговорюється нижче. Фіг. 1 також показує автономні генератори активної плазми/плазмотрони (у типовому варіанті - пару плазмотронів 80А та 80В під загальним номером 80), встановлені у камері 22 або на її стінках. Кожен плазмотрон включає корпус 82. Джерело напруги 84 плазмотрона (Фіг. 3) подає напругу U через два корпуси плазмотрона. Типова напруга U належить до діапазонів радіочастоти - РЧ(>1 МГц) або середньої частоти - СЧ (0,1-1,0 МГц) або низької частоти - НЧ (1100 кГц), або є напругою змінного струму - ЗС (