Отправить статью по E-mail К вопросу о формировании термобарьерных покрытий методом магнетронного распыления
- Авторы: Качалин Г.В.1, Медведев К.С.1, Медников А.Ф.1, Зилова О.С.1, Тхабисимов А.Б.1, Илюхин Д.И.1, Касьяненко В.А.1
-
Учреждения:
- Национальный исследовательский университет «МЭИ»
- Выпуск: № 4 (2024)
- Страницы: 51-61
- Раздел: Статьи
- URL: https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/992
- DOI: https://doi.org/10.18323/2782-4039-2024-4-70-5
- ID: 992
Цитировать
Аннотация
Применение магнетронных распылительных систем с протяженными неохлаждаемыми мишенями позволит разработать промышленные импортозамещающие технологии формирования термобарьерных покрытий на основе оксида циркония, легированного оксидами редкоземельных металлов, для решения актуальных задач газового турбостроения. В работе приведены результаты сравнения технологии получения термобарьерных покрытий методом магнетронного распыления с двумя типами протяженных мишеней из сплава Zr–8%Y – широко распространенной и применяемой охлаждаемой мишенью и разрабатываемой авторами неохлаждаемой протяженной мишенью магнетронной распылительной системы. Приведено сравнение результатов масс-спектрометрических исследований гистерезиса парциального давления кислорода, свойственного технологии получения оксидных пленок; влияния типа мишени на скорость роста покрытия; исследований методом растровой электронной микроскопии структуры термобарьерных покрытий; элементного состава покрытий на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия – YSZ. Экспериментально установлено, что повышение температуры мишени магнетронной распылительной системы позволяет в 2 раза уменьшить ширину петли характерного гистерезиса зависимости парциального давления кислорода от его расхода. Полученные зависимости позволили определить диапазон значений расхода кислорода при различных мощностях магнетронного разряда, при которых работа может производиться с устойчивым и стабильным управлением процессом, без опасности попадания в гистерезис. Проведенные металлографические исследования показали характерную развитую пористую дендритную структуру керамического слоя, необходимую для снижения коэффициента теплопроводности термобарьерного покрытия. Выявлено, что применение неохлаждаемой мишени позволяет повысить скорость осаждения термобарьерного покрытия более чем в 10 раз по сравнению со скоростью осаждения для охлаждаемой мишени. Полученные результаты демонстрируют возможность применения технологии магнетронного распыления протяженной неохлаждаемой мишени для формирования керамического слоя термобарьерных покрытий.
Об авторах
Геннадий Викторович Качалин
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Email: KachalinGV@mpei.ru
ORCID iD: 0000-0001-9506-862X
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
Россия, 111250, Россия, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, стр. 1Константин Сергеевич Медведев
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Email: MedvedevKS@mpei.ru
ORCID iD: 0000-0003-1667-458X
ведущий инженер
Россия, 111250, Россия, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, стр. 1Алексей Феликсович Медников
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Email: MednikovAlF@mpei.ru
ORCID iD: 0000-0003-4883-7873
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
Россия, 111250, Россия, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, стр. 1Ольга Сергеевна Зилова
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Email: ZilovaOS@mpei.ru
ORCID iD: 0000-0002-0410-8188
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
Россия, 111250, Россия, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, стр. 1Александр Борисович Тхабисимов
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Автор, ответственный за переписку.
Email: TkhabisimovAB@mpei.ru
ORCID iD: 0000-0001-9544-9086
кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Россия, 111250, Россия, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, стр. 1Дмитрий Игоревич Илюхин
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Email: IliukhinDI@mpei.ru
ORCID iD: 0009-0009-6385-0284
инженер 1 категории
Россия, 111250, Россия, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, стр. 1Владислав Александрович Касьяненко
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Email: KasyanenkoVA@mpei.ru
ORCID iD: 0009-0000-7510-2106
инженер 1 категории
Россия, 111250, Россия, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, стр. 1Список литературы
- Banerjee P., Roy A., Sen S., Ghosh A., Saha G., Seikh A.H., Alnaser I.A. Ghosh M. Service life assessment of yttria stabilized zirconia (YSZ) based thermal barrier coating through wear behavior // Heliyon. 2023. Vol. 9. № 5. Article number e16107. doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e16107.
- Singh M., Sahu P.K., Sampath S., Jonnalagadda K.N. Fracture toughness of freestanding plasma sprayed yttria stabilized zirconia coatings via in situ tensile experiments // Journal of the European Ceramic Society. 2024. Vol. 44. № 4. P. 2499–2511. doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2023.10.074.
- Liu Qiaomu, Huang Shunzhou, He Aijie. Composite ceramics thermal barrier coatings of yttria stabilized zirconia for aero-engines // Journal of Materials Science & Technology. 2019. Vol. 35. № 12. P. 2814–2823. doi: 10.1016/j.jmst.2019.08.003.
- Raza M., Boulet P., Pierson J.-F., Snyders R., Konstantinidis S. Thermal stability of oxygen vacancy stabilized zirconia (OVSZ) thin films // Surface and Coatings Technology. 2021. Vol. 409. Article number 126880. doi: 10.1016/j.surfcoat.2021.126880.
- De Goes W.U., Markocsan N., Gupta M., Vaßen R., Matsushita T., Illkova K. Thermal barrier coatings with novel architectures for diesel engine applications // Surface and Coatings Technology. 2020. Vol. 396. Article number 125950. doi: 10.1016/j.surfcoat.2020.125950.
- Yetim A.F., Tekdir H., Turalioglu K., Taftali M., Yetim T. Tribological behavior of plasma-sprayed Yttria-stabilized zirconia thermal barrier coatings on 316L stainless steel under high-temperature conditions // Materials Letters. 2023. Vol. 336. Article number 133873. doi: 10.1016/j.matlet.2023.133873.
- Karaoglan A.C., Ozgurluk Y., Gulec A., Ozkan D., Binal G. Effect of coating degradation on the hot corrosion behavior of yttria-stabilized zirconia (YSZ) and blast furnace slag (BFS) coatings // Surface and Coatings Technology. 2023. Vol. 473. Article number 130000. doi: 10.1016/j.surfcoat.2023.130000.
- Chen Can, Song Xuemei, Li Wei, Zheng Wei, Ji Heng, Zeng Yi, Shi Ying. Relationship between microstructure and bonding strength of yttria-stabilized zirconia thermal barrier coatings // Ceramics International. 2022. Vol. 48. № 4. P. 5626–5635. doi: 10.1016/j.ceramint.2021.11.107.
- Sanjai S.G., Srideep S., Krishna B.A., Sumanth M.S., Ramaswamy P. Synthesis of Yttria-Stabilized Zirconia Nano Powders for Plasma Sprayed Nano Coatings // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 22. Part 4. P. 1253–1263. doi: 10.1016/j.matpr.2020.01.418.
- Wang Xin, Zhen Zhen, Huang Guanghong, Mu Rende, He Limin, Xu Zhenhua. Thermal cycling of EB-PVD TBCs based on YSZ ceramic coat and diffusion aluminide bond coat // Journal of Alloys and Compounds. 2021. Vol. 873. Article number 159720. doi: 10.1016/j.jallcom.2021.159720.
- Mulone A., Mahade S., Björklund S., Lundström D., Kjellman B., Joshi S., Klement U. Development of yttria-stabilized zirconia and graphene coatings obtained by suspension plasma spraying: Thermal stability and influence on mechanical properties // Ceramics International. 2023. Vol. 49. № 6. P. 9000–9009. doi: 10.1016/j.ceramint.2022.11.055.
- Берлин Е.В., Сейдман Л.А. Получение тонких пленок реактивным магнетронным распылением. 2-е изд., испр. и доп. М.: URSS, 2022. 316 с.
- Tkhabisimov A.B., Mednikov A.F., Dasaev M.R., Kachalin G.V., Zilova O.S. Solid particle erosion resistance of protective ion-plasma coating formed on full-scale objects based on modern additive technologies // International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering. 2019. Vol. 8. № 7. P. 2295–2302. EDN: YNNMPC.
- Духопельников Д.В., Булычёв В.С., Воробьев Е.В. Магнетронный разряд с жидкофазным катодом // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Естественные науки. 2018. № 1. С. 95–103. doi: 10.18698/1812-3368-2018-1-95-103.
- Kuritsyna I.E., Bredikhin S.I., Agarkov D.A., Borik M.A., Kulebyakin A.V., Milovich F.O., Lomonova E.E., Myzina V.A., Tabachkova N.Yu. Electrotransport characteristics of ceramic and single crystal materials with the (ZrO2)0.89(Sc2O3)0.10(Y2O3)0.01 composition // Russian Journal of Electrochemistry. 2018. Vol. 54. P. 481–485. doi: 10.1134/S1023193518060125.
- Zhang Wanying, Shi Fengyue, Wang Jianwen, Yang Yang, Zhao Guangdong, Zhao Dongyu. Preparation and properties of a porous ZrO2/SiZrBOC ceramic matrix composite with high temperature resistance and low thermal conductivity // Journal of the European Ceramic Society. 2024. Vol. 44. № 4. P. 2329–2337. doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2023.11.007.
- Lin Jianliang, Stinnett T.C. Development of thermal barrier coatings using reactive pulsed dc magnetron sputtering for thermal protection of titanium alloys // Surface & Coatings Technology. 2020. Vol. 403. Article number 126377. doi: 10.1016/j.surfcoat.2020.126377.
- Reddy G.V., Rasu N.G., Kumar M.M., Prasad J., Hari T. Review on Advanced Alternative Thermal Barrier Coatings (TBC’s) Materials in Low Heat Rejection Engines // International Journal of Research in Mechanical Engineering and Technology. 2016. Vol. 6. № 2. P. 27–35.
- Bleykher G.A., Borduleva A.O., Krivobokov V.P., Sidelev D.V. Evaporation factor in productivity increase of hot target magnetron sputtering systems // Vacuum. 2016. Vol. 132. P. 62–69. doi: 10.1016/j.vacuum.2016.07.030.
- Chen Dianying, Dambra C., Dorfman M. Process and properties of dense and porous vertically-cracked yttria stabilized zirconia thermal barrier coatings // Surface and Coatings Technology. 2020. Vol. 404. Article number 126467. doi: 10.1016/j.surfcoat.2020.126467.
Дополнительные файлы
