Проект: Электронно-лучевой синтез защитных покрытий на основе YSZ

Конечным результатом проекта будет являться готовое оборудование способное отвечать всем современным требованиям синтеза защитных диэлектрических покрытий, тестовые образцы покрытий на основе диэлектриков на металлах и сплавах. В процессе проведения исследований по проекту, будет проведена модернизация форвакуумных плазменных источников электронов, которая позволит обеспечить стабильную генерацию мощного электронного пучка при давлении 1-5 Па, с мощностью пучка до 10 кВт, в течение длительного времени необходимого для синтеза толстых покрытий (более 100 мкм) на поверхности готовых изделий. Будут исследованы режимы нанесения покрытий в зависимости от параметров электронного, пучка и газовой атмосферы, а также других различных условий. Будут получены покрытия на основе циркониевой керамики на материалах, используемых в промышленности, толщины покрытий будут составлять от 80 до 200 мкм. Будут детально исследованы свойства этих покрытий. Результаты будут опубликованы в научных изданиях.

В процессе выполнения НИР на кафедре физики созданы уникальные форвакуумные плазменные источники электронов, генерирующие электронные пучки в ранее недоступной области повышенных давлений форвакуумного диапазона. Такие устройства обеспечивают возможность непосредственной электронно-лучевой обработки диэлектрических материалов, в том числе синтез покрытий в результате испарения электронным пучком форвакуумного плазменного источника твердотельной электрически непроводящей керамической мишени или мишени из чистого бора и других высокотемпературных диэлектриков. Проведенные исследования показали принципиальную возможность электронно-лучевого синтеза "толстых" (уровня 100 мкм) термобарьерных, функциональных керамических покрытий с рекордной по сравнению с аналогами скоростью нанесения. Полученные параметры покрытий делают привлекательным использование форвакуумного плазменного источника электронов для реализации электронно-лучевого метода создания и внедрения технологии нанесения упрочняющих покрытий на поверхности лопаток газотурбинных двигателей, деталей машин и инструмента, а также ряда других изделий. Имеющееся в научной лаборатории кафедры физики экспериментальные стенды направлены исключительно на проведение научных исследований. Решение технологических задач с использованием реальных промышленных изделий требует создания специального оборудования. Предлагаемый проект позволит расширить создать оборудования для процессов синтеза толстых защитных покрытий, детально изучить процессы из синтеза, исследовать полученные покрытия.

Технология нанесения защитных покрытий на основе твердотельных диэлектриков в форвакуумной области давлений.

Способ реализации проекта включает проведение экспериментальных исследований, направленных на изучение процессов создания толстых покрытий на основе циркониевой керамики на металлах и сплавах, создание стабильных условий получения таких покрытий с заданными свойствами и создание экспериментального оборудования для этих процессов.

Научная новизна исследований заключается в использовании для процессов синтеза покрытий уникального оборудования, форвакуумных плазменных источников электронов.

Научный задел участников проекта состоит в опыте проведения работ по тематике проекта, наличии экспериментального и диагностического оборудования для его выполнения. Исследовательский коллектив, в который входят участники настоящего проекта, более 10 лет занимается исследованием эмиссионных процессов из плазмы газового разряда в диапазоне давлений от единиц до сотни Па. За это время коллективом успешно выполнено более 20 грантов РФФИ, несколько грантов Президента Российской Федерации для молодых ученых – кандидатов наук, а также других программ. Выполнен значительный объем экспериментальных и теоретических исследований, на основе которых созданы оригинальные плазменные электронные источники, генерирующие электронные пучки различной конфигурации с энергией до 20 кВ и плотностью мощности в десятки кВт/см кв. в ранее недоступной для электронных источников области давлений 1-100 Па. С использованием разработанных источников проведены исследования взаимодействия электронного пучка с различными материалами, включая и непроводящие, а также процессов образования пучковой плазмы и взаимодействия с ней электронного пучка. Усовершенствована конструкция электродной системы источника, позволившая повысить плотность мощности электронного пучка до рекордных значений: 10 кВт, при плотности мощности 50 кВт/см2, что обусловило возможность испарения тугоплавких материалов, включая графит. Показана эффективность применения электронного пучка для обработки диэлектриков, в частности, различного рода высокотемпературных керамик, боридов. Проведены исследования по испарению непроводящих и проводящих мишеней. Найдены режимы электронно-лучевого испарения керамических мишеней, позволяющие получать непроводящие покрытия на металлических мишенях. Основные результаты представленных исследований опубликованы в статьях журналов Q1 и Q2.

В настоящее время существует несколько эффективных методов нанесения таких покрытий, электронно-лучевое осаждение из паровой фазы (EB-PVD) [1], атмосферное плазменное напыление (APS) [2], плазменная технология с использованием прекурсоров (SPPS) [3], технология плазменного физического осаждения из паровой фазы (PV-PVD) [4], однако в современной промышленности наиболее широко используются первые два метода (EB-PVD и APS). Современные покрытия на основе плазменного напыления (APS) по своим параметрам и эксплуатационным свойствам уступают электронно-лучевым (EB-PVD), поскольку не имеют столбчатой структуры [5], которая служит для снятия касательных напряжений на границе «металл-керамика», к тому же из-за быстрого увеличения дефектов в виде микротрещин, высокой шероховатости, ТПЗ нанесенные APS-методом, в целом имеют более короткие сроки службы, чем покрытия, полученные ЕВ-PVD-методом. Одним из основных недостатков электронно-лучевого метода нанесения теплозащитных покрытий является дороговизна и большие размеры технологических установок [6], поскольку для испарения тугоплавкой керамики приходится обеспечивать большие мощности электронного пучка порядка 500 кВт, по крайней мере для ее начального нагрева, поскольку диэлектрическая мишень в вакууме может заряжаться практически до полного ускоряющего потенциала, что в свою очередь приводит к кратному снижению эффективности всего процесса [7]. Разрабатываемые в последнее время форвакуумные плазменные источники электронов, функционируют при давлениях на 2 порядка выше традиционных, в этой области давлений образующаяся пучковая плазма снимает эффект зарядки с диэлектрической мишени, тем самым вся мощность электронного пучка передается в виде нагрева и способствует эффективному испарению любых тугоплавких диэлектрических материалов [8]. Благодаря этому, мощности используемые для этого процесса можно снизить в десятки раз, с сохранением всех основных параметров технологического процесса [9]. 1. Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Гаямов А.М., Матвеев П.В. Высокотемпературные жаростойкие покрытия и жаростойкие слои для теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 17–20. 2. Чубаров Д.А., Матвеев П.В. Новые керамические материалы для теплозащитных покрытий рабочих лопаток ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2013. №4. С. 43–46. 3. Aurélien Joulia, Giovanni Bolelli, Enrico Gualtieri, Luca Lusvarghi, Sergio Valeri, Michel Vardelle, Sylvie Rossignol, Armelle Vardelle. Comparing the deposition mechanisms in suspension plasma spray (SPS) and solution precursor plasma spray (SPPS) deposition of yttria-stabilised zirconia (YSZ). Journal of the European Ceramic Society. Volume 34, Issue 15, 2014, Pages 3925-3940, https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.05.024 4. Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Гаямов А.М., Степанова С.В. Ионно-плазменные жаростойкие покрытия с композиционным барьерным слоем для защиты от окисления сплава ЖС36-ВИ //МиТОМ. 2011. №1. С. 34–40. 5. Vijay Kumar, Balasubramanian Kandasubramanian. Processing and design methodologies for advanced and novel thermal barrier coatings for engineering applications. Particuology, Volume 27, 2016, Pages 1-28, https://doi.org/10.1016/j.partic.2016.01.007 6. https://www.ald-vt.com/ru/portfolio/engineering/vacuum-metallurgy/ 7. Золотухин Д.Б. Распределение потенциала по поверхности борсодержащей непроводящей мишени при облучении электронным пучком в форвакууме / Д.Б. Золотухин, А.В. Тюньков, Ю.Г. Юшков // Прикладная физика. – 2017. – № 6. – С. 39-43. 8. Different stages of electron-beam evaporation of ceramic target in medium vacuum / Y.G. Yushkov, D.B. Zolotukhin, E.M. Oks, A.V. Tyunkov // Journal of Applied Physics. – 2020. – Vol. 127, No. 11. – P. 113303. – DOI 10.1063/1.5142420 9. On the effect of ceramic target composition on coatings deposited by electron-beam evaporation at forevacuum pressure / Y.G. Yushkov, E.M. Oks, A.V. Tyunkov [et al.] // Ceramics International. – 2020. – Vol. 46, No. 17. – P. 27641-27646. – DOI 10.1016/j.ceramint.2020.07.259