Двошарове керамічне покриття

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. Известно двухслойное керамическое покрытие, получаемое плазменным напылением, и состоящее из внутреннего пористого слоя (предпочтительно толщиной 12,5 - 87,5мкм и внешнего плотного слоя (получаемого путем лазерного оплавления или толщиной 12,5 - 37,5мкм, причем общая толщина двухслойного керамического покрытия не должна превышать 100мкм для предотвращения его скалывания [1]. 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 1310К из-за опасности его растрескивания. В основу изобретения поставлена задача создать такое защитное покрытие, в котором двухслойная керамическая композиция имела бы увеличенную толщин у и плотность, что позволило бы снизить газопроницаемость керамики и, за счет этого обеспечить повышение термостойкости и долговечности покрытия, Эта задача решена тем, что в состав внешнего плотного керамического слоя вводят от 4 до 16мас.% (при этом содержание составляет 2 - 12мас.%, - остальное), что позволяет снизить газопроницаемость керамики, повысить ее толщину и термостойкость, при этом отношении толщин внутреннего пористого и внешнего плотного керамического слоя составляет 0,3 - 20,0. Введение в систему 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 кристаллов диоксида циркония, т.е. обеспечивает их более полное срастание между собой и уплотнение керамики. Наряду с этим сохраняющаяся столбчатая микроструктура, благоприятная сточки зрения релаксаций 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 соответствующих 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 12)мас.% и - (2 - (2 - 12)мас.% (4 16)мас.% полученные по штатной технологии, разработанной ИЭС им. Е.О. Патона. Образцы (с ранее нанесенным подслоем помещали в кассеты, являющиеся технологической оснасткой для их вращения в паровом потоке в рабочей камере и осаждения испаряемых материалов. Температура поверхности конденсации составляет 1093 - 1373К и определяется материалом защищаемой детали. Испарение керамики ведут при скоростях конденсации 1,1 - 2,3мкм/мин, что позволяет сформировать столбчатую стр уктур у покрытия с оптимальными свойствами. Вначале наносится внутренний пористый керамический слой (предпочтительно 8)мас.% - (6 По достижению его необходимой толщины, не прекращая испарения оснастку перемещают, располагая ее над 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 использовалось конденсационное покрытие - 20 - 22мас.%, - 10 - 11мас.% - 0,1мас.% толщиной 80 - 90мкм. Испытания на термостойкость проводили на воздухе по режиму с , выдержкой при Nmax в течение 20мин (время нагрева и охлаждения составляло соответственно 4 и 6мин). Термостойкость определяли по количеству термоциклов до разрушения керамики скалыванияя 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 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.