ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ С ПОВЫШЕННОЙ ТЕРМОСТОЙКОСТЬЮ

В статье изложена оптимизация процессов получения максимального содержания тетрагональной фазы в исходном материале и в теплозащитных покрытиях на основе диоксида циркония и оксида гафния. Приведены результаты исследования фазового состава оксидной системы HfO₂ – ZrO₂ – Y₂О₃, которая представляет собой микроструктуру, похожую на диоксид циркония, трансформированную для использования при температуре 1300 °C, объяснен механизма влияния оксида гафния на формирование данной микроструктуры. Методика исследования основана на комплексных металлографических, рентгеноструктурных и электронно-микроскопических исследованиях структурных элементов композиционных плазменных покрытий системы HfO₂ – ZrO₂ – Y₂О.

Для стабилизации диоксида циркония легирующий оксид должен не только иметь соответствующий размер иона металла, но и образовывать твердый раствор с диоксидом циркония. Это условие резко ограничивает число возможных стабилизаторов. Фактически такая стабилизация возможна только оксидами редкоземельных металлов (Y₂O₃, Yb₂O₃, CeO₂, HfO₂). Важное значение для получения качественных теплозащитных покрытий имеет химическая чистота применяемых материалов. Оксид гафния был выбран для использования в качестве порошка для теплозащитных покрытий вместо диоксида циркония ввиду их сходства в структурной модификации, решетке, химических и физических свойствах и его повышенной температуры структурных преобразований. Установлено, что плазменные теплозащитные покрытия HfO₂ – ZrO₂ – Y₂О₃ состоят из одной тетрагональной фазы. Эта фаза эквивалентна неравновесной тетрагональной t'-фазе в системе «диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия». Сходство Hf⁺⁴ и Zr⁺⁴ катионов приводит к образованию одинаковых метастабильных фаз при быстрой закалке.

1. Теплозащитные покрытия на основе ZrO2 / А. Ф. Ильющенко [и др.]. – Минск : Ремика, 1998. – 128 с.

2. Khor, K. A. Properties of Plasma Spraed Functionally Graded YSZ / NiCoCr AlY Composite Coatings / K. A. Khor, Y. W. Gu, Z. L. Dong // Thermal Spray 2000: Surface Engineering via Applied Research: Proceedings of the 1st International Thermal Spray Conference. – Kobe (Japeny), 2000. – P. 1241–1248.

3. Porter, D. L. Mechanisms of Toughening Partially Stabilized Zirconia (PS2) / D. L. Porter, H. Heuer // Journal of the American Ceramic Society. – 2006. – Vol. 6, № 3. – P. 183–184.

4. Singheiser, L. The Performance of High Temperature Corrosion Resistant Coatings on Superalloyes Nuclear Extended Laboratory Tests / L. Singheiser // 1st Plasma Technic. Symposium Lucerne. – 1998. – Vol. 2. – P. 164–173.

5. Robert, M. Mikrostructural Evolution in Co-P37 and the Roomtemperature Instability of Tetragonal ZrO2 / M. Robert // The Amer. Ceram. Soc. – 1997. – Vol. 10, № 4. – P. 214–220.

6. Оковитый, В. А. Влияние технологических параметров керамического слоя теплозащитного покрытия на стойкость к термоциклированию / В. А. Оковитый // Порошковая металлургия : республиканский межведомственный сборник научных трудов. – Минск, 1998. – Вып. 21. – С. 101–105.

7. Оковитый, В. А. Разработка теплозащитных плазменных покрытий / В. А. Оковитый // Сварка и родственные технологии. – 2005. – Вып. 7. – С. 80–82.

8. Оковитый, В. А. Оптимизация процесса нанесения ZrO2 – Y2О3 / В. А. Оковитый // Порошковая металлургия : республиканский межведомственный сборник научных трудов. – Минск, 2007. – Вып. 30. – С. 245–249.

9. Математическая модель тепловых процессов, происходящих при формировании покрытий на основе ZrO2 / В. А. Оковитый [и др.] // Порошковая металлургия : республиканский межведомственный сборник научных трудов. – Минск, 2009. – Вып. 32. – С. 9–20.

10. Моделирование порообразования при формировании теплозащитных плазменных покрытий на основе диоксида циркония / В. А. Оковитый [и др.] // Порошковая металлургия : республиканский межведомственный сборник научных трудов. – Минск, 2011. – Вып. 34. – С. 36–40.

11. Создание градиентных плазменных покрытий на основе диоксида циркония, стабилизированного диоксидом иттербия / В. А. Оковитый [и др.] // Вестник БНТУ. – 2011. – № 6. – С. 5–9.

12. Формирование газотермических покрытий: теория и практика / А. Ф. Ильющенко [и др.]. – Минск : Беспринт, 2002. – 480 с.

13. Ильющенко, А. Ф. Плазменные покрытия на основе керамических материалов / А. Ф. Ильющенко, В. А. Оковитый, А. И. Шевцов. – Минск : Беспринт, 2006. – 316 с.

14. Padovan, J. Therinomechanical behaviour of plasma-sprayed HfO2 – Y2O3 coatings / J. Padovan // Ceram. Eng. And Sci. – 2007. – No 8. – P. 27–38.

15. Alperain, S. Microstructural Investigation of Plasma Sprayed Yttria Partially Stabilized Zirconia TBC / S. Alperain, L. Lelait // J. Eng. Gas Turbines Power. – 1994. – Vol. 116 №1. – P. 258-265

16. Alperain, S. TEM Investigations of High Toughness Non-Equilibrium Phases in the ZrO2 – Y2O3 System / S. Alperain, L. Lelait // Scripta Metallurgica et Materiala. – 1991. – Vol. 25 №8. – P. 1815–1820.

17. Lelait, L. Etude Microstructurale fine de Revetements Ceramiques de type Barriere Thermique; Incidence sur la Resistance Thermomecanique de Ces Revetements : PhD thesis / L. Lelait. - Universite d'Orsay, France, 2001.

18. Ibegazene, H. Yttria Stabilized Hafnia-Zirconia Thermal Barrier Coatings: influence of hafnia addition on TBC structure and high temperature behavior influence of hafnia addition on TBC structure and high temperature behavior / H. Ibegazene, S. Alperine, C. Diot // Journal of Materials Science. -1995. – Vol. 30 №4. – P. 938-951. Doi: 10.1007/BF01178428