ВИСОКОЕНТРОПІЙНА КЕРАМІКА ДЛЯ ТЕРМОБАР’ЄРНИХ ПОКРИТТІВ НА ОСНОВІ ZrO₂, КОМПЛЕКСНО ЛЕГОВАНОГО ОКСИДАМИ РЗЕ

Анотація

Сучасні роботи з пошуку матеріалів керамічного шару термобар’єрного покриття (TБП) наступного покоління сфокусовано переважно на трьох-, чотирьохкомпонентних і більш складних оксидних системах. Досліджено можливість використання для ТБП висоентропійної кераміки на основі оксиду цирконію ZrO₂, комплексно легованого сумішшю оксидів РЗЕ, і вивчено властивості керамічного шару ТБП, нанесеного методом електронно-променевого випаровування–конденсації за один технологічний цикл. Для дослідження обрано концентрат рідкісноземельних елементів на основі оксиду церію (легкий концентрат — ЛК) складу, % (мас.): 62,4 CeO₂ ; 13,5 La₂O₃; 10,9 Nd₂O₃; 3,9 Pr₆O₁₁; 0,92 Sm₂O₃; 1,2 Gd₂O₃; 0,24 Eu₂O₃; 2,66 ZrO₂; 1,2 Al₂O₃; 1,7 SiO₂; сумарний вміст інших оксидів — 1,38. Мішені для напилення керамічного шару ТБП отримані керамічним способом з шихти складу, % (мас.): 85 М-ZrO₂ –15 ЛК. Двошарові термобар’єрні покриття метал/кераміка наносили на промисловій електронно-променевій установці УЕ-174, що експлуатується в НВП ЕЛТЕХМАШ (м. Вінниця), на модельні лопатки, виготовлені методом спрямованої кристалізації зі сплаву ЖС-26ВІ. Встановлено, що сформувалося шорсткувате щільне глянсове покриття. Товщина покриття на спинці і вхідний кромці складає 85 мкм, у кориті лопатки — 70 мкм. Фазовий склад покриття — суміш F-ZrO₂ та М-ZrO₂. У керамічному шарі утворилися стовпчасті, досить щільні кристаліти, зібрані в пероподібні утворення. Між ними утворилися вертикальні пори, які розташовані перпендикулярно або під кутом до поверхні. Між керамічним і зв’язуючим металевим шарами утворився шар складної шпінелі на основі Al₂O₃ товщиною 2–2,5 мкм. У процесі напилення вкерамічному шарі сформувалася ламінарна структура, обумовлена синергетичним ефектом компонентів механічної суміші ZrO₂ –концентрат РЗЕ в процесі випаровування/конденсації. Особливості мікроструктури покриття визначають градієнт розподілу мікротвердості по його висоті. Експерименти з термоциклювання показали, що це покриття витримало 161 термозміну, а це вище, ніж у стандартного покриття YSZ (138 термозмін). Попередні дослідження продемонстрували, що стабілізація ZrO₂ концентратами оксидів РЗЕ є перспективним напрямком мікроструктурного проектування керамічного шару ТБП.