Аннотация результатов, полученных в 2014 году
В ходе работ были получены нанокомпозиционные покрытия в системе TiAlSiCN/MoSeC. Покрытия осаждались методом реакционного магнетронного распыления мишеней TiAlSiCN и MoSeC с различным соотношением сегментов, полученных методами самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и холодного прессования. Была изучена структура покрытий методами рентгенофазового анализа, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, рамановской и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Химический состав и распределение элементов в покрытии после осаждения и последующего окисления были проанализированы методом оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда. Выполнено исследование трибологических характеристик покрытий при различных температурах и проанализирован состав продуктов износа в зоне трибологического контакта. Проведены эксперименты по осаждению нанокомпозиционных покрытий в системе MoCN-Ag. Покрытия различного состава были получены методом реакционного магнетронного распыления мишеней молибдена и углерода с одновременным ионным распылением металлической мишени серебра. Проведено исследование фазовых превращений в покрытиях MoCN-Ag методом динамического рентгеноструктурного анализа на установке с высокотемпературной приставкой и методом рамановской спектроскопии. Выявлены ранее неизвестные закономерности и последовательности фазовых превращений в покрытиях при нагреве до 700 °С. Выполнены исследования трибологических характеристик покрытий MoCN-Ag в условиях термоциклирования с нагревом до различных температур. Получены нанокомпозиционные покрытия в системе TiC-CaO-Ag. Методом реакционного магнетронного распыления композиционной мишени TiC+CaO и одновременного ионного распыления мишени Ag, а также распылением мишени TiC и ионным распылением мишени CaO. Проведены структурные исследования с целью определения размера частиц серебра в объеме покрытия и изучены термически-активируемые процессы диффузии серебра к поверхности покрытия в зависимости от объемной доли включений. Исследованы трибологические характеристики покрытий TiC-CaO-Ag в процессе нагрева и выполнен анализ морфологии и состава продуктов износа в зоне трибологического контакта методами атомно-силовой микроскопии, Рамановской спектроскопии и энерго-дисперсионной спектроскопии.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Выполнен большой объем экспериментальных работ по синтезу мишеней для ионно-плазменного распыления, осаждению покрытий и изучению их структуры, механических и трибологических свойств. Также проанализированы механизмы трения и износа и выявлены структурные факторы, приводящие к улучшению трибологических характеристик. Изучено влияние механического активирования на структурно-фазовые изменения в порошковой смеси для синтеза мишеней для магнетронного распыления. Определены оптимальные параметры активирования для получения однородной структуры продукта. Исследован характер и кинетика распространения фронта горения при синтезе мишеней на основе МАХ-фазы Ti3AlC2. Методом магнетронного распыления были получены покрытия в системах Cr-Al-C, Ti-Al-C и Cr-Ti-Al-C, а также проведены эксперименты по введению в состав покрытий дополнительных элементов и фаз: N, WSe2, Ag, CaF2. При осаждении покрытий методом магнетронного распыления в системах Cr-Al-C, Ti-Al-C и Cr-Ti-Al-C установлено, что формирование МАХ-фаз после осаждения возможно только при высоких температурах подложки (1000 °С). Также формирование МАХ-фаз возможно путем последующего отжига покрытий; наиболее эффективно этот процесс происходит при отжиге в графитовой засыпке, что предотвращает обезуглероживание МАХ-фаз. Полученное таким образом покрытие на основе МАХ-фазы h-Cr2AlC обладает довольно стабильным коэффициентом трения 0,43-0,65 в широком диапазоне температур 25 – 700 °С . Альтернативным способом получения покрытий на основе МАХ-фазы является электроискровая обработка электродом Cr2AlC. Показано, что покрытие на основе МАХ-фазы h-Cr2AlC обладает значительно более высокой износостойкостью по сравнению с покрытием Cr-Al-C на базе твердого раствора. Методом магнетронного распыления СВС-мишеней были получены покрытия в системе TiNbCN – (Ag). Изучена структура, механические и адгезионные свойств покрытий в зависимости от содержания серебра. Установлено, что твердость покрытий снижается с увеличением концентрации серебра. Введение серебра не влияет на адгезионную прочность покрытий и на характер их износа, но позволяет снизить коэффициент трения при температурах 500 – 700 °С по сравнению с покрытиями TiNbCN за счет диффузии серебра к поверхности и формирования тонкого трибослоя в зоне механического контакта. Покрытия TiNbCN – (Ag) также продемонстрировали более низкий коэффициент трения при низких температурах 25-200 °С. Проведены эксперименты по изучению усталостной и адгезионной прочности покрытий MoCN-Ag. Установлена критическая нагрузка, Lc3 = 40 Н, приводящая к локальному адгезионному разрушению покрытий. Покрытия MoCN-Ag выдержали циклические, ударно-динамические испытания при нагрузке 1300 и 700 Н, соответственно, в течении 10000 и 100000 циклов. Выполнены исследования механизмов трения и износа для решения проблемы «средних температур» применительно к покрытиям MoCN-Ag. Установлено, что путем варьирования состава покрытий MoCN-Ag можно добиться снижения коэффициента трения в обозначенном температурном интервале. При формировании покрытий на основе гексагональной фазы MoCN наблюдается существенное снижение коэффициента трения до 0,22 при температуре 350 °С за счет образования оксидов молибдена с зоне трибоконтакта. При увеличении содержания углерода в покрытии в зоне трибоконтакта образуются иглоподобные частицы графита, обеспечивающие значительное снижение коэффициента трения (< 0,30) в интервале температур 25 – 300 °С. Показано, что низкий коэффициент трения в диапазоне температур 500 – 700 °С связан с наличием или образованием оксида молибдена, молибдата серебра и металлического серебра, являющихся твердыми смазками при высоких температурах. Также установлено, что процессы формирования трибослоя на основе графита, оксидов молибдена и молибдата серебра активируются в зоне трибоконтакта. Получена нанокомпозиционные покрытия в системах MoCN-Au и TiCN+ CaF2 и проведены исследования их трибологических свойств. Установлено, что покрытия MoCN-Au обладают низким коэффициентом трения в диапазонах температур 25-150 и 400-700 °С. Твердость покрытий MoCN-Au превосходила значения для покрытий MoCN, легированных Ag. Введение фторида кальция в состав покрытий карбонитрида титана способствовало существенному снижению коэффициента трения в диапазоне температур 25-300 °С без значительного ухудшения механических свойств. При температуре 300 °С коэффициент трения покрытий TiCN+CaF2 составлял 0,20, что существенно ниже, чем 0,65 у покрытий TiCN.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Выполнен большой объем экспериментальных работ осаждению покрытий и изучению их структуры, фазового состава, термической стабильности, усталостной прочности, механических и трибологических свойств. Также проанализированы механизмы трения и износа и выявлены структурные факторы, приводящие к улучшению трибологических характеристик. Были проведены работы по холодному и горячему прессованию для изготовления объемных образцов материалов и мишеней для магнетронного распыления. В ходе работы в 2016 году были получены следующие результаты: Покрытия в системе VCN-(Ag) были получены методом одновременного магнетронного распыления элементных мишеней (ванадий, графит) и ионным распылением серебра. Подробно были изучены их трибологические свойства и их взаимосвязь с изменениями структуры при нагреве. После начального этапа приработки, коэффициент трения покрытий VCN и VCN-Ag составлял 0,4 – 0,54. Введение серебра в состав покрытий приводит к увеличению шероховатости поверхности покрытий. Средние и среднеквадратичные значения шероховатости соответственно возрастали с 7 до 57 и с 9 до 73 нм при введении серебра. Установлены зависимости КТ от режимов осаждения: при осаждении в чистом азоте КТ покрытий был ниже, по сравнению с КТ покрытий, полученных в смеси Ar+15%N2 ; 2) при одинаковых режимах осаждения КТ покрытий при комнатной температуре без серебра был ниже, по сравнению с КТ покрытий с добавкой серебра. Покрытия VCN обладают высокой износостойкостью; приведенный износ при комнатной температуре составлял 0,05∙10-6 - 0,16∙10-6 мм3/Н∙м. Несмотря на введение мягкого компонента, серебра, износостойкость покрытий VCN-Ag оставалась также достаточно высокой: скорость изнашивания составляла 0,82-1,33∙10-6 мм3/Н м. Для всех покрытий VCN-(Ag) был характерен абразивный механизм износа. Максимальный положительный эффект с точки зрения коэффициента трения от введения серебра в структуру покрытий VCN наблюдался при средних (250-400 °С) и при высокой (700 °С) температурах. Коэффициент трения покрытий VCN-Ag, испытанных в условиях динамического нагрева, был почти в 2 – 2,5 раза ниже, чем у покрытий VCN: соответственно 0,35 и 0,78 при 300 °С и 0,18 и 0,40 при 700 °С. Более низкий коэффициент трения в покрытия VCN-Ag при 700 °С связывается с плавлением ванадата серебра. Методом динамического рентгенофазового анализа установлена последовательность формирования оксидов ванадия V7O13 →VO2 → V2O5 в покрытии VCN и подтверждено отсутствие плавления оксидных фаз при нагреве до 600 °С. In situ ПЭМ анализ стабильности структуры покрытии VCN-Ag показал, что при нагреве до 450 °С происходит лишь незначительная внутренняя перестройка отдельных частиц серебра, с образованием субзерен с различной ориентировкой без изменения размеров включений (10 – 50 нм). Структура матрицы – твердого раствора VCN - не претерпевает структурных изменений. Покрытия TiNbCN-(Ag) Покрытия TiNbCN-(Ag) были получены методом магнетронного распыления многокомпонентных СВС мишени TiC0.5+10%Nb2C и ионным распылением серебра. Было установлено, что твердость покрытий TiNbCN-Ag зависила от содержания Ag и постепенно снижалась с 42 (4.0 ат.% of Ag) до 36 (8.7), 27 (10.0) и 10 ГПa (15.1%). Все покрытия TiNbCN-(Ag) продемонстрировали одинаковые значения адгезионной прочности. Покрытие с максимальным содержанием серебра 15.1 ат.% было наиболее пластичным. При его деформации образования трещин или сколов покрытия не наблюдалось до полного износа покрытия. Все покрытия TiNbCN-(Ag) показали близкие значения коэффициента трения при комнатной температуре в диапазоне 0,23-0,30. Значения скоростей износа покрытий с добавками серебра испытанных при комнатной температуре составляли 3.0-3.3∙10-6 мм3/(Н∙м), что было несколько выше, чем у покрытий, свободных от Ag (1,8∙10-6 мм3/(Н∙м). Однако при испытании при температуре 300 °С, скорость износа покрытия с максимальным содержанием серебра TiNbCN-15.1Ag была ниже, чем в покрытии TiNbCN (соответственно 9.7∙10-6 и 16.0∙10-6 мм3/(Н∙м)). Показано, что для существенного улучшения трибологических характеристик в интервале 25-700 °C покрытия должны содержать относительно большое количество серебра (15 at.%), что обеспечивает снижение коэффициента трения до 0,45. Низкий коэффициент трения при средних и высоких температурах связан с образованием трибопленки на основе серебра. Установлено, что введение серебра приводит к существенному повышению жаростойкости покрытий TiNbCN. Толщина оксидного слоя на поверхности покрытия уменьшалась с 1.7 мкм (покрытие без серебра) до 0.18 мкм (15.1 ат.% Ag). Покрытия с серебром также обеспечивали активную защиту от окисления и обладали самозалечивающимися характеристиками за счет сегрегации серебра в местах образования трещин и очагах окисления.Дополнительно с целью расчета температурной зависимости модулей упругости серебра, были проведены теоретические расчеты на основе теории функционала плотности (DFT). Небольшое расхождение экспериментальных и теоретических данных может быть связано с влиянием ангармонизмом серебра вследствие низких значений температуры Дебая. Результаты расчетов показали, что с увеличением температуры модуль сдвига монотонно снижается на 9% с 46.92 ГПa до 42.52 ГПа, а модуль сдвига C’ с 15.09 ГПa до 13.72 ГПа. Наряду с этим была изучена усталостная прочность покрытий. Обнаружено, что покрытия с большим содержанием пластичного компонента – серебра, TiNbCN-17Ag обладали высокой усталостной прочностью до 500 Н, в то время как покрытия TiNbCN-15,1Ag с меньшим содержанием серебра уже при нагрузке 250 Н характеризовались частичным разрушением. Покрытия Mo-Ag-C-O Были осаждены и изучены покрытия, в исходном состоянии содержащие оксидную фазу. Управление параметрами осаждения, прежде всего током ионного источника, позволило получать в структуре покрытий различные соотношения фаз, обладающих свойствами твёрдых смазок (триоксид молибдена, молибдат серебра, серебро). Покрытия обладали относительно невысокими механическими свойствами (твердость 4,4 – 8,5 ГПа), что негативно сказывалось на их поведении в процессе трибологических испытаний, приводя к быстрому износу. Минимальный коэффициент трения покрытий при комнатной температуре составлял 0,4, а при нагреве КТ возрастал при средних температурах и варьировался от 0,50 до 0,99 и только с нагревом до высоких температур (600 – 700 °С) снижался до 0,40. Система Mo-Ag-C-O требует дальнейшей оптимизации, направленной на повышение адгезии, твёрдости и упруго-пластических свойств. Получение объемных материалов и покрытий в системе K-Ti-O При рецензировании нашего научного отчета за 2015 год один из рецензентов высказал замечания, что в проекте не рассматривается возможность применения в качестве компонента или основы покрытий соединений полититаната калия. По мнению рецензента эти соединения имеют большой потенциал в качестве самосмазывающих материалов. И хотя такие исследования изначально запланированы не были, мы решили проверить гипотезу о возможности снижения коэффициента трения за счет формирования покрытий на основе полититаната калия. Покрытия, полученные путем распыления мишени из полтитаната калия, показали неудовлетворительные трибологических свойств ввиду их низкой твердости и износостойкости. Кроме того, покрытия на основе полтитаната калия не проявили самосмазывающие характеристики в широком температурном интервале. Объемные материалы из полититаната калия после различных видов термической обработки также продемонстрировали высокие значения коэффициента трения (0,8 – 1,0) в широком интервале температур. В этой связи нам представляется более обоснованным наш изначальный подход, основанный на формировании нанокомпозиционных покрытий, в состав которых входят различные твердые смазки, обеспечивающие снижение коэффициента трения в определенном температурном интервале.