Влияние структурно-морфологической организации покрытий на основе ZrO₂ на теплопроводность и механические свойства

Рассмотрены физические закономерности формирования разных типов структурно-морфологической организации покрытий на основе диоксида циркония. Представлены результаты исследования влияния субструктуры покрытий на термическую стабильность, механические свойства и теплопроводность как наноструктурированных покрытий ZrO₂, так и нанокомпозитных, а также впервые синтезированных, концентрационно-градиентных покрытий на основе стабилизированного ZrO₂ и Ni, полученных с помощью вакуумных ионно-плазменных технологий. При формировании нанокристаллического стабилизированного диоксида циркония с помощью реактивного ВЧ-магнетронного распыления металлической сплавной мишени (Zr-Y) и керамической мишени (ZrYO) выполняется ряд общих закономерностей. Во-первых, получаемые покрытия имеют столбчатую структуру, обусловленную ростом кристаллитов в соответствии с моделью структурных зон. Во-вторых, при концентрации стабилизирующей примеси 7 - 8 ат. % Y происходит стабилизация тетрагональной модификации ZrO₂. В-третьих, при увеличении концентрации иттрия до 12 - 16 ат. % происходит стабилизация кубической высокотемпературной модификации диоксида циркония. Средний размер кристаллитов диоксида циркония, получаемого реактивным ВЧ-магнетронным распылением мишеней, определяется парциальным давлением кислорода, причем характер зависимости связан с типом распыляемой мишени. Отжиг стабилизированного ZrO₂ с кубической структурой при температуре 1200°C в воздушной среде приводит к частичной трансформации кубической модификации в тетрагональную. Структурный переход обусловлен заполнением кислородных вакансий атомами кислорода. Разработана методика получения наногранулированных композитных покрытий Ni-ZrO₂ и NiO-ZrO₂, а также методика получения концентрационно-градиентных покрытий Ni-Zr-O с помощью совместного реактивного ВЧ-магнетронного распыления двух металлических мишеней. В концентрационном диапазоне от 20 ат. % до 30 ат. % Ni при напылении композитного покрытия реализуется механизм взаимоограничивающего роста двух фаз, что предотвращает формирование текстуры, характерной для чистого диоксидного покрытия. Композиты NiO-ZrO₂ сохраняют неизменным фазовый состав после отжигов при 1200°С в воздушной среде с сохранением наноструктурированности (средний размер зерна не превышает 40 нм). Теплопроводность напыленных нанокристаллических покрытий из стабилизированного ZrO₂ со столбчатой структурой на два порядка ниже значений теплопроводности объемной керамики из диоксида циркония (0,068 Вт/м•К и 1 - 3 Вт/м•К соответственно). Формирование наногранулированной композитной структуры NiO-ZrO₂ приводит к дополнительному уменьшению теплопроводности покрытия (0,009 - 0,05 Вт/м•К) в интервале составов 20 - 30 ат. % Ni. Основной причиной этого является более эффективное рассеяние фононов на межфазных границах по сравнению с рассеянием на межзёренных границах. Формирование концентрационно-градиентного переходного слоя значительно улучшает адгезионную прочность керамических покрытий к металлической поверхности.