Пермский национальный исследовательский политехнический университет, кафедра «Механика композиционных материалов и конструкций», Пермь, Россия:

С. А. Оглезнева, профессор, докт. техн. наук, эл. почта: ogleznevasa@pstu.ru
М. Н. Каченюк, доцент, канд. техн. наук, эл. почта: maxxkach@yandex.ru
А. А. Сметкин, доцент, канд. техн. наук, эл. почта: smetkinaa@pstu.ru
В. Б. Кульметьева, доцент, канд. техн. наук

Высокотемпературные материалы для теплозащитных покрытий (ТЗП) имеют важные перспективы применения в авиадвигателестроении. Для повышения ресурса и надежности работы деталей из суперсплавов большое значение имеет связующее в структуре ТЗП. Предложена архитектура связующего материала между суперсплавом и внешней керамикой. Показано, что связующий слой может состоять из подслоя интерметаллида NiAl (ВКНА) и смеси ВКНА с 15 или 30 % (вес.) диоксида циркония (8YSZ). Такую архитектуру позволяет формировать метод искрового плазменного спекания (ИПС). С помощью этого метода были получены образцы градиентного связующего материала ВКНА/ВКНА + (15 % или 30 %) YSZ/YSZ при 1070 ^oC, давлении 30 МПа и изотермической выдержке 5 мин. Во всех спеченных композициях пористость не превышала 2 %. С помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), энергодисперсионной спектроскопии, микродюрометрии охарактеризована структура связующего материала. Показано, что ИПС обеспечивает адгезионное соединение подслоев в связующем слое и с внешней керамикой. Микротвердость при переходе от слоя ВКНА к слою YSZ через связующий материал с различным содержанием YSZ в подслое возрастает монотонно. Образцы связующего продемонстрировали градиент теплопроводности от подложки из Инконель 625 к YSZ, а также установлено влияние содержания YSZ в подслоях на снижение коэффициента линейного термического расширения в диапазоне температур 800–1000 ^oC. Повреждение керамической поверхности при термоциклировании на воздухе при 1100 ^oC, т. е. появление и развитие трещин, составляет не более 5 % при 45 циклах.

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России № FSNM-2020-0026 на выполнение фундаментальных научных исследований и при финансовой поддержке РФФИ и Пермского края, грант № 19-48-590007.

1. Besisa D. H. A., Ewais E. M. M. Advances in functionally graded ceramics – processing, sintering properties and applications // Advances in Functionally Graded Materials and Structures, Farzad Ebrahimi, IntechOpen. March 31^st 2016). DOI: 10.5772/62612. Available from: https://www.intechopen.com/books/advancesin-functionally-graded-materials-and-structures/advances-infunctionally-graded-ceramics-processing-sintering-propertiesand-applications (дата обращения: 13.09.2021).
2. Naebe M., Shirvanimoghaddam K. Functionally graded materials: A review of fabrication and properties // Applied Materials Today. 2016. Vol. 5. P. 223–245. DOI: 10.1016/j.apmt.2016.10.001.
3. Fukui Y., Takashima K., Ponton C. B. Measurement of Young’s modulus andinternal friction of an in situ Al – Al3Ni functionally gradient material // Journal of Materials Science. 1994. Vol. 29. P. 2281–2288. DOI: 10.1007/BF00363415.
4. Abbas M. R., Uday M. B., Noor A. M., Ahmad N. et al. Microstructural evaluation of a slurry based Ni/YSZ thermal barrier coating for automotive turbocharger turbine application // Materials and Design. 2016. Vol. 109. P. 47–56.
5. Dhineshkumar S. R., Duraiselvam M., Natarajan S., Panwar S. S. et al. Enhancement of strain tolerance of functionally graded LaTi2Al9O19 thermal barrier coating through ultra-short pulse based laser texturing // Surface and Coatings Technology. 2016. Vol. 304. P. 263–271. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2016.07.018.
6. Cherradi N., Kawasaki A., Gasik M. Worldwide trends in functional gradient materials research and development // Composites Engineering. 1994. Vol. 4, No. 8. P. 883–894. DOI: 10.1016/S0961-9526(09)80012-9.
7. Sam M., Jojith R., Radhika N. Progression in manufacturing of functionally graded materials and impact of thermal treatment — A critical review // Journal of Manufacturing Processes. 2021. Vol. 68. Part A. P. 1339–1377. DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.06.062.
8. Allahyarzadeh M. H., Aliofkhazraei M., Sabour Rouhaghdam A. R., Torabinejad V. Gradient electrodeposition of Ni – Cu – W(alumina) nanocomposite coating // Materials and Design. 2016. Vol. 107. P. 74–81. DOI: 10.1016/j.matdes. 2016.06.019.
9. Naga S. M., Awaad M., El-Maghraby H. F., Hassan A. M. et al. Effect of La2Zr2O7 coat on the hot corrosion of multi-layer thermal barrier coatings // Materials and Design. 2016. Vol. 102. P. 1–7. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.03.133.
10. Spark Plasma Sintering of Materials: Advances in Processing and Applications. — 1st ed. / ed. P. Cavaliere. — Cham, Switzerland : Springer, 2019. — 761 p. DOI: 10.1007/978-3-030-05327-7.
11. Кашин Д. С., Стехов П. А. Современные теплозащитные покрытия, полученные методом электронно-лучевого напыления (обзор) // Труды ВИАМ. 2018. № 2(62). С. 84–90. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-2-10-10.
12. Bobzin K., Zhao L., Wietheger W., Königstein T. Key influencing factors for the thermal shock resistance of La2Zr2O7-based multilayer TBCs // Surface and Coatings Technology. 2020. Vol. 396. P. 125951. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125951.
13. Yang P., An Y., Zhao D.,Yuhong Li Y. et al. Structure evolution, thermal properties and sintering resistance of promising thermal barrier coating material La2(Zr0,75Ce0,25)2O7 // Ceramics International. 2020. Vol. 46. P. 20652–20663. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.04.111.
14. Wu J., Wei X., Padture N. P., Klemens P. G. et al. Low-thermalconductivity rare-earth zirconates for potential thermal-barriercoating applications // Journal of the American Ceramic Society. 2002. Vol. 85, No. 12. P. 3031–3035. DOI: 10.1111/j.1151-2916.2002.tb00574.x.
15. Guo L., Guo H., Peng H., Gong S. Thermophysical properties of Yb2O3 doped Gd2Zr2O7 and thermal cycling durability of (Gd0,9Yb0,1)2Zr2O7/YSZ thermal barrier coatings // Journal of the European Ceramic Society. 2014. Vol. 34. P. 1255–1263. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2013.11.035.
16. Gadow R., Lischka M. Lanthanum hexaaluminate — novel thermal barrier coatings for gas turbine applications — materials and process development // Surface and Coatings Technology. 2002. Vol. 151–152. P. 392–399. DOI: 10.1016/S0257-8972(01)01642-5.
17. Haynes A., Unocic K. A., Lance M. J., Pint B. A. Impact of superalloy composition, bond coat roughness and water vapor on TBC lifetime with HVOF NiCoCrAlYHfSi bond coatings // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 237. P. 65–70. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2013.09.062.
18. Zhou X., Xu Z., Mu R., He L. et al. Thermal barrier coatings with a double-layer bond coat on Ni3Al based single-crystal superalloy // Journal of Alloys and Compounds. 2014. Vol. 591. P. 41–51. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.12.040.
19. Yang H. Z., Zou J. P., Shi Q., Dai M. J. et al. Analysis of the microstructural evolution and interface diffusion behavior of NiCoCrAlYTa coating in high temperature oxidation // Corrosion Science 2019. Vol. 153. P. 162–169. DOI: 10.1016/j.corsci.2019.03.022.
20. Song J., Ma K., Zhang L., Schoenung J. M. Simultaneous synthesis by spark plasma sintering of a thermal barrier coating system with a NiCrAlY bond coat // Surface and Coatings Technology. 2010. Vol. 205, No. 5. P. 1241–1244. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2010.08.064.
21. Monceau D., Oquab D., Estournès C., Boidot M. et al. Thermal barrier systems and multi-layered coatings fabricated by spark plasma sintering for the protection of Ni-base superalloys // Materials Science Forum. 2010. Vol. 654-656. P. 1826–1831. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.654-656.1826.
22. Kul'met'eva V. B., Porozova S. E., Gnedina E. S. Synthesis of nanocrystalline zirconium dioxide stabilized with yttrium oxide for low-temperature sintering // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2013. Vol. 54, No. 3. P. 239–245. DOI: 10.3103/S1067821213030097.
23. ГОСТ 9450–76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. — Введ. 01.01.1997.
24. Оглезнева С. А., Сметкин А. А., Каченюк М. Н. Формирование в процессе искрового плазменного спекания градиентного материала Инконель 625 с внешним керамическим слоем для теплозащитных покрытий // Конструкции из композиционных материалов. 2020. Вып. 4(160). С. 28–31.
25. Kaschnitz E., Kaschnitz L., Heugenhauser S. Electrical resistivity measured by millisecond pulse heating in comparison with thermal conductivity of the superalloy inconel 625 at elevated temperature // International Journal of Thermophysics. 2019. Vol. 40, Iss. 3. P. 27–40. DOI: 10.1007/s10765-019-2490-8.
26. Schlichting K. W., Padture N. P., Klemens P. G. Thermal conductivity of dense and porous yttria-stabilized zirconia // Journal of Materials Science. 2001. Vol. 36. P. 3003–3010. DOI: 10.1023/A:1017970924312.