Современные технологии нанесения упрочняющих покрытий на поверхности изделий сложных пространственных форм

Москва  2020

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА 

 

Кафедра порошковой металлургии и функциональных покрытий

Ф.В. Кирюханцев-Корнеев

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ  
НАНЕСЕНИЯ УПРОЧНЯЮЩИХ  
ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ  
ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНЫХ  
ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ФОРМ

Курс лекций

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 3966

УДК 620.1:669 
 
К43

Р е ц е н з е н т 

д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры 

 функциональных наносистем и высокотемпературных материалов  

НИТУ «МИСиС» И.В. Блинков

Кирюханцев-Корнеев Ф.В.

К43  
Современные технологии нанесения упрочняющих 

покрытий на поверхности изделий сложных пространственных форм : курс лекций / Ф.В. Кирюханцев-Корнеев. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2020. – 104 с.

ISBN 978-5-907227-35-4

Курс лекций посвящен анализу тенденций и направлений разви
тия в области технологий нанесения упрочняющих поверхностных 
покрытий, систематизации информации в области нанесения покрытий на поверхности изделий сложных пространственных форм, 
разработке предложений по выбору оптимальных составов упрочняющих покрытий для защиты лопаток компрессора газотурбинных 
двигателей и требований к оборудованию и технологической оснастке для нанесения покрытий с помощью вакуумных методов.

Для студентов, обучающихся в бакалавриате (направление 

22.03.02 «Металлургия», профиль «Функциональные материалы и 
покрытия») и магистратуре (направление 22.04.02 «Металлургия», 
профиль «Порошковые и аддитивные технологии синтеза функциональных материалов и покрытий»).

УДК 620.1:669

ISBN 978-5-907227-35-4
© Кирюханцев-Корнеев Ф.В., 

2020

© НИТУ «МИСиС», 2020

Содержание

Введение  .......................................................................... 4
1 Анализ современного состояния исследований в области 
создания защитных покрытий для ГТД ................................. 6
2 Условия эксплуатации деталей ГТД и пути  
повышения ресурса их работы за счет нанесения  
покрытий........................................................................ 12
3 Плазменное напыление .................................................. 18
4 Импульсная плазменная обработка .................................. 24
5 Детонационное напыление .............................................. 28
6 Газопламенное напыление и высокоскоростное  
пламенное напыление ....................................................... 31
7 Наплавочные методы ..................................................... 35
8 Диффузионные методы ................................................... 40
9 Термическое испарение .................................................. 43
10 Метод катодно-дугового испарения ................................. 52
11 Метод магнетронного напыления  ................................... 64
12 Методы химического осаждения из паровой фазы ............. 77
13 Предложение по оптимальным вариантам направления 
дальнейших практических исследований по нанесению 
упрочняющих покрытий на лопатки компрессора  
из титанового сплава ........................................................ 81
14 Основные требования к оборудованию  
и технологической оснастке для нанесения покрытий 
на лопатки ГТД в вакууме ................................................. 86
Заключение .................................................................... 90
Библиографический список  .............................................. 91

Введение 

Важнейшее значение для повышения надежности и долго
вечности авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) имеют 
разработки и освоение новых материалов и технологий, направленные на повышение прочности лопаток с целью минимизации 
их повреждений в процессе эксплуатации. Наряду с работами 
по созданию новых материалов и технологических процессов 
в условиях возрастающих требований по радикальному улучшению качества ответственных изделий приобретают разработки 
упрочняющих технологий при производстве лопаток ГТД разными методами, в том числе технологий нанесения покрытий.

Вместе с тем достижения в науке и производстве в области 

технологий и материалов для повышения эксплуатационных 
свойств деталей машин и механизмов, таких как прочность, износостойкость, эрозионная и коррозионная стойкость, за счет 
модификации рабочих поверхностей обработкой высокоэнергетическими источниками с нанесением защитных многофункциональных покрытий являются важной предпосылкой их применения в комбинации с другими упрочняющими методами, 
в том числе с технологиями упрочнения (электроискровое легирование, малопластическая обкатка и др.). Нанесение высокопрочных твердых низкопористых пластичных покрытий на отдельные поверхности титановых лопаток компрессора, включая 
радиус кромки пера и прикромочные зоны лопатки, будет способствовать повышению общих показателей их прочности.

К настоящему времени многочисленными исследования
ми и производственной практикой обоснован тот факт, что при 
помощи различных технологий и материалов покрытий, в частности тонкопленочных наноструктуированных, можно существенным образом изменять физико-механические, оптические, 
электрические, магнитные, тепловые и химические свойства исходного конструкционного материала, его поверхность, получая 
изделия с комплексом защитных свойств.

В настоящее время имеются десятки способов нанесения 

поверхностных покрытий как физическими (PVD), так и химическими (CVD) методами, некоторые из них в той или иной 
мере применимы для решения задач машиностроения, в част

ности для авиационного двигателестроения. В настоящем обзоре предусматривается сравнение их целесообразности и эффективности для выбора направлений дальнейших исследований. 
Например, достаточное распространение получили такие методы, как осаждение покрытий с помощью газотермических методов (например, газопламенного и детонационного), однако 
в этих случаях часто требуется дополнительная механическая 
обработка после нанесения покрытия, что, в свою очередь, накладывает ограничения на их использование, в частности в серийном производстве.

В значительной мере физико-механические свойства 

упрочняющего покрытия определяются его адгезией к подложке 
обрабатываемого изделия. В качестве важного фактора, влияющего на свойства покрытия, можно выделить энергетические параметры, затраченные на его образование. Наибольшей кинетической энергией наносимых на изделие частиц характеризуются 
процессы ионно-плазменного напыления в вакууме, при которых создаются предпосылки для создания покрытий с заданными физико-техническими параметрами. Высокая и регулируемая в широких пределах энергия осаждаемых частиц позволяет 
получать слои различных материалов с высокой твердостью и 
адгезией к основе, управлять структурой и свойствами этих слоев, способствует эффективному плазмохимическому процессу 
получения покрытий сложного состава.

1 Анализ современного состояния 
исследований в области создания 
защитных покрытий для ГТД

При подготовке обзора были проанализированы современ
ные русско- и англоязычные монографии по тематике, вышедшие 
в ведущих издательствах. Особое внимание было уделено оценке состояния исследований на основе информации, полученной 
из новейших (в основном вышедших после 2000 года) научных 
публикаций, изданных в нашей стране и за рубежом. С этой целью были использованы электронные базы данных, такие как 
«Научная электронная библиотека» (http://elibrary.ru), содержащая русскоязычные и англоязычные публикации; ScienceDirect.
com  (http://www.sciencedirect.com/), содержащая англоязычные 
книги и периодические публикации преимущественно издательства Elsevier; SpringerLink (http://link.springer.com/), содержащая англоязычные публикации и книги, а также англоязычные 
версии публикаций, изданных журналами Российской академии 
наук; Wiley (http://onlinelibrary.wiley.com/), содержащие англоязычные статьи и книги издательства Wiley-VCH.  Кроме того, 
была проанализирована база данных Web of Knowledge компании 
Thomson Reuters (http://webofknowledge.com/), в которой собраны 
статистические данные по количеству публикаций, а также цитирований для выбранного направления исследований.

На рисунке 1, а приведено количество публикаций по го
дам, посвященных покрытиям для упрочнения деталей различных двигателей (coatings for engines), по данным Science Direct.

Видно, что после 2000 года наблюдается заметное стабиль
ное возрастание количества публикаций, объясняющееся внедрением технологий нанесения покрытий в производство различных деталей и узлов. На рисунке 1, б показано количество 
публикаций, связанных с покрытиями для деталей газотурбинных двигателей (сoatings for turbine engines). Наблюдаются те 
же тенденции, что и в предыдущем случае. 

На рисунке 2 приведена диаграмма, показывающая рас
пределение публикаций в наиболее популярных профильных 
журналах, в которых публикуются материалы, посвященные 

покрытиям на деталях газотурбинных двигателей. Видно, что 
в десятку передовых изданий входят журналы Surface and Coatings Technology, Wear, Fuel and Energy Abstracts, Journal of 
Franklin Institute, Metal Powder Report, Tribology International, 
Materials Science and Engineering A, Metal Finishing, Materials 
and Design, Composites. 

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1995
2000
2005
2010
2015
2020
2025

Год

Количество публикаций

а

0

200

400

600

800

1000

1200

1995
2000
2005
2010
2015
2020
2025

Год

Количество публикаций

б

Рисунок 1 – Количество публикаций, посвященных 
покрытиям для деталей двигателей (а) и покрытиям 

для деталей ГТД (б)

Рисунок 2 – Распределение публикаций, 

посвященных покрытиям для деталей газотурбинных 

двигателей, по профильным журналам 

Отдельным направлением, привлекающим особое вни
мание ученых, являются работы в ранее упомянутом направлении, связанные с термобарьерными покрытиями (thermo barrier 
coatings) (рисунок 3). Видно стремительное параболическое увеличение количества публикаций с каждым годом. На рисунке 4 
приводятся основные журналы, в которых публикуются разработки по термобарьерным покрытиям.

По данным Springer, покрытиям для газотурбинных дви
гателей посвящены публикации в отечественных журналах, переводимых на английский язык: Thermal Engineering (Теплоэнергетика), Metal Science and Heat Treatment (Металловедение и 
термическая обработка металлов), Russian Metallurgy (Металлы), 
High Temperature (Tеплофизика высоких температур). По данным Web of Knowledge, наблюдается стабильно высокий интерес 
к покрытиям для газотурбинных двигателей. Результаты представлены на рисунке 5. Также важно отметить, что исследователи все чаще цитируют ранее опубликованные работы по данному 
типу покрытий, что также наглядно видно на рисунке 5.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1995
2000
2005
2010
2015
2020
2025

Год

Количество публикаций

Рисунок 3 – Распределение публикаций, 

посвященных термобарьерным покрытиям, по годам 

Рисунок 4 – Распределение публикаций, 

посвященных термобарьерным покрытиям, 

по профильным журналам 

Таким образом, разработки в области создания и совер
шенствования материалов покрытий и технологий их нанесения 
на детали газотурбинных двигателей являются актуальными и 
крайне востребованными.  

а

б

Рисунок 5 – Количество публикаций (а) 

и цитирований (б), посвященных покрытиям 

для деталей газотурбинных двигателей