Разработка научных основ технологии получения жаростойких покрытий на основе MAX-фаз Ti-Al-C и сложных оксидов системы Y-Al-O для защиты от высокотемпературной коррозии интерметаллидных сплавов.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-20119

НазваниеРазработка научных основ технологии получения жаростойких покрытий на основе MAX-фаз Ti-Al-C и сложных оксидов системы Y-Al-O для защиты от высокотемпературной коррозии интерметаллидных сплавов.

Руководитель Рамазанов Камиль Нуруллаевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский университет науки и технологий» , Республика Башкортостан

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова плазма, термобарьерные покрытия, интерметаллиды, MAX-фаза, микроструктура, фазовый анализ, оксиды, жаростойкость

Код ГРНТИ53.49.07

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одной из проблем современного материаловедения является разработка новых жаропрочных материалов, обладающих пониженной удельной массой. Современные жаропрочные стали и сплавы не могут в полной мере удовлетворить требованиям, предъявляемым конструкторами перспективных изделий авиакосмической техники. Уменьшение массы изделий может быть обеспечено и в результате замены материала деталей ГТД, например, замена жаропрочных никелевых сплавов на интерметаллидные сплавы для изготовления лопаток турбин низкого давления. Однако если для жаропрочных никелевых сплавов давно разработаны и освоены жаростойкие и термобарьерные покрытия, то для интерметаллидных сплавов защитные покрытия только начинают разрабатывать. Разработка жаростойких и термобарьерных покрытий для защиты интерметаллидных сплавов позволит резко увеличить массовую отдачу газотурбинных двигателей, что является первоочередной задачей при создании двигателей нового поколения. Для решения этой проблемы предлагается разработка высокотемпературных покрытий на основе МАХ-фаз Ti-Al-C и соединений системы Y-Al-O. Интерметаллидные материалы, высокотемпературные, теплозащитные покрытия входят в перечень «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030», утверждённый указом Президента РФ. Покрытия на основе МАХ-фаз Ti-Al-C и соединений системы Y-Al-O обладают существенными перспективами применения в авиадвигателестроение, однако технология синтеза данных покрытий способом катодно-дугового осаждения на сегодняшний день пока не исследованы. Формирование этих покрытий позволит обеспечить повышенные эксплуатационные свойства в процессе работы при высоких температурах. Известно, что эксплуатационными свойствами детали можно управлять, изменяя химический и фазовый состав, структуру и качество поверхностного слоя. В настоящее время имеются единичные публикации по исследованиям жаростойких свойств покрытий на основе МАХ-фаз Ti-Al-C и соединений системы Y-Al-O. В отличие от существующих работ в проекте планируется формирование покрытий исключительно методом осаждения из плазмы вакуумного дугового разряда. Применение вакуумно-дугового метода позволит управлять осаждением покрытия, изменяя режимы в широком диапазоне. Метод вакуумно-дугового осаждения характеризуется наличием микрокапельных частиц материала в покрытиях и неоднородностью плазменного потока от источника осаждаемых частиц, поэтому в проекте предусмотрены исследования влияния технологических параметров на качество поверхности. В качестве материала катодов будут использованы титан (Вт1-0), иттрий (Y), алюминий (АД1) и формирование покрытий будет проходить в среде инертного газа (Ar) и реакционного газа (О2, C2H2). Будут исследоваться покрытия различной архитектуры, и верхним керамическим слоем, которые будут наноситься путем постепенного добавления реакционного газа кислорода, в результате которого будет формироваться покрытие с плавным переходом от свойств основы к сплошному керамическому слою. Идея исследования заключается в реализации системного эффекта от влияния различных факторов, в том числе состава, структуры покрытий, качества поверхностного слоя (шероховатость, микротвёрдость поверхности, жаростойкость, коррозионная стойкость). Компонентный и фазовый составы покрытия будут сформированы на основе анализа линейных коэффициентов термического расширения и механических свойств фаз. Получение слоёв заданного состава будет основано на анализе структурно-фазовых превращений в зависимости от режимов осаждения покрытий. Для исследования фазовых превращений при различных температурах в вакууме, воздухе будет проводится с использованием синхротронного излучения на станциях “Аномальное рассеяния”, “Прецизионная дифрактометрия” г. Новосибирск совместно со специалистами ИК СО РАН и ИСЭ СО РАН. Исследование жаростойкости и термоциклирования образцов с покрытием будет проводится в условиях приближенных к реальным эксплуатациям в ЦИАМ им. П.И. Баранова. Исследования особенностей структуры, механических и эксплуатационных свойств получаемых покрытий будут проводиться с использованием современных методов и оборудования передовых мировых производителей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. А.Ю. Назаров, А.М. Хусаинова, А.А. Маслов, К.Н. Рамазанов, М.С. Сыртанов, А.А. Николаев, А.А. Тулина, Э.Л. Варданян ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТЕХИОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОКРЫТИЯ И РЕЖИМОВ ТЕРМООБРАБОТКИ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ Y-AL-O ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ФИЗИКА. Томск, Исследование перспективных жаростойких покрытий систем Y-Al-O и Ti-Al-C | Изв. вузов. Физика. 2022. (год публикации - 2022)
10.17223/00213411/65/11/107

2. А.А. Маслов, А.Ю. Назаров, К.Н. Рамазанов, М.С. Сыртанов, А.М. Хусаинова, А.А. Тулина, А.А. Николаев, Э.Л. Варданян ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЖАРОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМ Y−Al−O И Ti−Al−C ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ФИЗИКА. Томск, Исследование влияния стехиометрического состава покрытия и режимов термообработки на фазовый состав покрытий системы Y-Al-O | Изв. вузов. Физика. 2022. № 11. (год публикации - 2022)
10.17223/00213411/65/11/99

3. А.А. Маслов, А.Ю. Назаров, Р.С. Есипов, М.С. Сыртанов, А.А. Николаев, К.Н. Рамазанов Термоциклические испытания двухслойных покрытий TiAlC/YAlO нанесенных на интерметаллидный сплав гамма-TiAl «Известия вузов. Физика» (год публикации - 2024)

4. А. А.Маслов , А. Ю. Назаров, А. М. Хусаинова, К.Н. Рамазанов STUDY OF Y-Al-O SYSTEM COATING DEPOSITED ON INCONEL 718 ALLOY Materials. Technologies. Design, Том 5 № 3 (13) (2023) (год публикации - 2023)
10.54708/26587572_2023_531344

5. А.Ю. Назаров, А.А. Маслов, А.А. Николаев, К.Н. Рамазанов, В.Р. Мухамадеев, А.М. Хусаинова, А.А. Тулина Исследование процесса окисления двухслойного покрытия Ti-Al-C+Y-Al-O на жаропрочном никелевом сплаве КОМПОЗИТЫ и НАНОСТРУКТУРЫ (год публикации - 2024)

6. Маслов А.А., Назаров А.Ю., Хусаинова А.М., Рамазанов К.Н. Study of Y-Al-O system coating deposited on Inconel 718 alloy «Физика Металлов и Металловедение» (год публикации - 2024)

7. Маслов А.А., Рамазанов К.Н. Текущее состояние технологий вакуумного осаждения покрытий из МАХ фаз Ti-Al-C Materials. Technologies. Design, 2024. Т. 6, № 4(19), 5-20 стр. (год публикации - 2024)
DOI 10.54708/26587572_2024_64195

8. Маслов А. А. ,Николаев А. А. , Назаров А. Ю., Рамазанов К.Н., Олейник А. В. Study of the change in the phase composition of the Y-Al-O coating system and its structure during vacuum arc deposition Journal of Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект направлен на разработку высокотемпературных жаростойких покрытий для повышения температурного интервала применения изделий из интерметаллидных сплавов авиационного назначения. В связи с этим ключевым результатом с практической точки зрения является разработка технологического процесса нанесения высокотемпературных покрытий на основе систем Ti-Al-C и Y-Al-O из плазмы вакуумно-дугового разряда на поверхность интерметаллидных сплавов авиационного назначения. Среди отечественных сплавов широкое распространение получил орто-сплав ВТИ4. Однако разработка технологического процесса подразумевает получение режимов обработки, которые позволят формировать повторяющееся по структуре, фазовому составу и как следствие жаростойким свойствам. Учитывая, что осаждение покрытий из МАХ-фаз с высоким их содержанием является сложной задачей из-за определенных процессов происходящих процессе напыления. Проведен подбор соотношения толщин функциональных слоев (термобарьерного Y-Al-O и жаростойкого Ti-Al-C) для обеспечение максимальной жаростойкости для данного покрытия. В связи с этим согласно плану работ выполнены следующие задачи: 1. Исследованы структура и фазовый состав методом РСА и РЭМ покрытия на основе систем Ti-Al-C + Y-Al-O с различным соотношением функциональных слоев, осажденных на поверхность интерметаллидного сплава ВТИ-4. 2. Получены образцы с покрытием на основе систем МАХ-фаз Ti-Al-C + Y-Al-O с различным соотношением функциональных слоев, осажденных на поверхность интерметаллидного сплава ВТИ-4 после проведения испытания на жаростойкость при температуре 700 градусов Цельсия. 3. Проведен анализ кинетики окисления покрытий на основе систем Ti-Al-C + Y-Al-O с различным соотношением функциональных слоев, осажденных на поверхность интерметаллидного сплава ВТИ-4. 4. Исследованы структура, фазовый состав образцов с покрытием на основе систем Ti-Al-C Y-Al-O с различным соотношением функциональных слоев, осажденных на поверхность интерметаллидного сплава ВТИ-4 методом РСА, РЭМ после проведения испытаний на жаростойкость. 5. Разработан технологический процесс нанесения высокотемпературных покрытий на основе систем Ti-Al-C и Y-Al-O из плазмы вакуумно-дугового разряда на поверхность интерметаллидного сплава ВТИ-4. 6. Подготовлены и опубликованы 2 статьи в рецензируемые научные журналы из перечня ВАК и/или RSCI. 7. Подготовлен итоговый научно-технический отчет.

Публикации