Структура и свойства защитных композиционных покрытий Zr-Mo-Si-B и Hf-Mo-Si-B, полученных методом искрового плазменного спекания

Abstract

Покрытия в системах Zr-Mo-Si-B и Hf-Mo-Si-B были получены методом искрового плазменного спекания (ИПС) с использованием гетерофазных порошков ZrSi2-MoSi2-ZrB2 и HfSi2-MoSi2-HfB2, изготовленных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Покрытия Zr-Mo-Si-B и Hf-Mo-Si-B характеризовались толщиной 1,3–1,4 мкм, обладали плотной структурой и содержали фазы, вес. %: 61 o-ZrSi2, 15 h-ZrB2, 15 t-MoSi2, 8 m-ZrO2, 1 c-ZrB и 53 o-HfSi2, 14 h-HfB2, 19 t-MoSi2, 9 m-HfO2, 5 c-HfB соответственно. Твердость покрытий составляла 15–16 ГПа, модуль упругости – 265–268 ГПа, и упругое восстановление – 38–39%. Покрытие Hf-Mo-Si-B характеризовалось минимальными значениями: а) приведенного износа 4,2×10-5 мм3Н-1м-1 в условиях трения скольжения, б) объема кратера 5×103 мкм3 при ударно-динамических испытаниях и в) скорости окисления <2,3×10-3 мг/(см2∙с) при 1200 °С. ИПС-покрытия превосходят ниобиевую подложку по износостойкости в ~ 25 раз и жаростойкости на несколько порядков.

Coatings in the Zr-Mo-Si-B and Hf-Mo-Si-B systems were obtained by spark plasma sintering (SPS) using heterophase powders ZrSi2-MoSi2-ZrB2 and HfSi2-MoSi2-HfB2, manufactured by the self-propagating high-temperature synthesis method. The Zr-Mo-Si-B and Hf-Mo-Si-B coatings were characterized by a thickness of 1.3–1.4 μm, had a dense structure and contained phases in wt.%: 61 o-ZrSi2, 15 h-ZrB2, 15 t-MoSi2, 8 m-ZrO2, 1 c-ZrB and 53 o-HfSi2, 14 h-HfB2, 19 t-MoSi2, 9 m-HfO2, 5 c-HfB, respectively. The coating hardness was 15-16 GPa, the elastic modulus was 265–268 GPa, and the elastic recovery was 38–39%. The Hf-Mo-Si-B coating was characterized by the minimum values of: a) reduced wear of 4.2∙10-5 mm3N-1m-1 under sliding friction conditions, b) crater volume of 5∙103 μm3 under impact-dynamic tests, and c) oxidation rate of <2.3∙10-3 mg/(cm2∙s) at 1200°C. SPS coatings are superior to niobium substrates in wear resistance by ~25 times and oxidation resistance by several orders of magnitude.