Исследование высокотемпературного поведения теплозащитного покрытия диоксида циркония методом лазерного нагрева

При изучении высокотемпературного поведения теплозащитного покрытия диоксида циркония апробирован метод лазерного нагрева. Покрытие наносили методом высокоэнергетического плазменного напыления на интерметаллидный подслой системы Ni–Co–Cr–Al–Y из порошкового материала состава ZrO₂+7%Y₂O₃ сферической морфологии.

Целью работы являлось исследование процессов структурно-фазовых превращений, плавления и кристаллизации, протекающих в материале керамического покрытия под действием единичного лазерного импульса длительностью 14 мс разной энергией (5, 10, 15 и 20 Дж). Установлено, что после напыления покрытие в исходном состоянии имеет двухфазный состав (Т-ZrO₂ + К-ZrO₂) и слоистую микроструктуру со столбчатым строением зерен диоксида циркония. Лазерный нагрев с энергией импульса 5 Дж стимулирует фазовое превращение Т-ZrO₂→К-ZrO₂, появление пористости и микротрещин. С увеличением энергии импульса до 10 и 15 Дж на поверхности покрытия интенсивно протекают процессы плавления и сверхбыстрой кристаллизации, сопровождающиеся измельчением зерен. По проведенным теоретическим оценкам, процессы оплавления затрагивают поверхностные слои толщиной от 2,2 до 6,6 мкм, а фазовые превращения имеют место на глубине ~11 мкм. При увеличении энергии лазерного импульса до Е = 20 Дж был инициирован процесс разрушения покрытия по механизму растрескивания с отслоением фрагментов поверхностного слоя толщиной 5–10 мкм.

Метод лазерного нагрева рекомендован в качестве экспресс-диагностики при проведении сравнительных испытаний теплостойкости керамических покрытий, получаемых разными методами и из различных исходных материалов.

1. Барвинок В. А., Шитарев И. Л., Богданович И. И., Докукина И. А., Карасев В. М. Срабатываемые, износостойкие и теплозащитные покрытия для деталей газового тракта турбины, компрессора и камеры сгорания ГТД // Авиационная и ракетно-космическая техника. – 2009. – № 3(19) . – С. 11–28.

2. Жирихин К. В., Николаев А. А., Талызин В. А., Шардин А. О., Тарасенко Ю. П., Царева И. Н., Бердник О. Б. Исследование термобарьерного покрытия на основе диоксида циркония для защиты криволинейных обводообразующих поверхностей экспериментального высокоскоростного летательного аппарата // Материалы XXVIII Научно-технической конференции по аэродинамике (г. Жуковский). – Изд-во ЦАГИ, 2017. – С. 131.

3. Карнавская Т. Г., Кикин П. Ю., Перевезенцев В. Н., Разов Е. Н., Русин Е. Н. Изменение морфологии поверхности тантал-вольфрамового покрытия после воздействия циклических лазерных импульсов // Физика и химия обработки материалов. – 2018. – № 1. – С. 5–10.

4. Кикин П. Ю., Перевезенцев В. Н., Русин Е. Н. Исследование процесса плавления ультрамелкозернистого алюминиевого сплава 1421 при импульсном лазерном воздействии // Вопросы материаловедения. – 2010. – № 2 (62). – С. 35–40.

5. Scott H. G. Phase relationships in the Yttria-rich Part of theYttria – Zirconia System // Journal of Material Science. – 1977. – N 12 (2). – P. 311–316.

6. Алисин В. В. Трибологические свойства кристаллов диоксида циркония обработанных лазером // JARiTS. – 2019. – №13. – C. 33–36.

7. Горелик С. С., Расторгуев Л. Н., Скаков Ю. А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. – М.: МИСИС, 1994. – 328 с.

8. Абызов А. М. Рентгенодифракционный анализ поликристаллических веществ на минидифрактометере «Дифрей»: Учебное пособие. – СПб.: СПГТУ, 2008. – 95 с.