РОЛЬ ГАФНІЮ У СУЧАСНИХ ТЕПЛОБАР'ЄРНИХ ПОКРИТТЯХ

Анотація

Проаналізовано світовий досвід використання гафнію у двох важливих частинах високотемпературних теплобар’єрних покриттів: зовнішньому теплозахисному шарі і зв’язуючому покритті. У зовнішньому теплозахисному шарі гафній використовується у вигляді діоксиду HfO₂, повністю або частково стабілізованого оксидом ітрію (або іншими оксидами рідкісноземельних елементів). Інший підхід полягає у використанні діоксиду гафнію як добавки до складу традиційних покриттів на основі частково або повністю стабілізованого діоксиду цирконію ZrO₂. Для нанесення теплозахисних покриттів, що містять діоксид гафнію, найчастіше використовують технології електронно-променевого напиленням (electron beam physical vapor deposition, EB-PVD) та плазмового напилення (air plasma spray, APS). Достатньо успішним виявився також метод магнетронного розпилення (sputter-deposition). Встановлено зниження модуля Юнга, зменшення теплопровідності на 30% (до 0,5–1,1 Вт/(м · К)) при високій температурі для HfO₂, стабілізованого 27% (мас.) Y₂O₃, а також підвищення стійкості до спікання та термостійкості покриття 7,5YSH у порівнянні з покриттям 8YSZ. Перспективним виявилось легування ZrO₂ та HfO₂ декількома стабілізаторами, а саме сумішшю тривалентного іона, більшого за розміром, ніж Y³⁺, й іншого тривалентного іона, меншого за розміром, ніж Y³⁺, зі збереженням метастабільної структури   t¢-фази. Продемонстровано важливість побудови діаграм стану для правильного вибору складу теплозахисного шару і елементів для легування зв’язуючого покриття теплобар’єрних композицій. Легування зв’язуючого покриття невеликою (до 1% (мас.)) кількістю гафнію покращує його стійкість до циклічного окиснення, а також підвищує адгезію шару термічно вирощеного оксиду до зв’язуючого покриття та міцність останнього.