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 17-19-01255

НазваниеТрибоадаптирующиеся высокотвердые аморфно-нанокристаллические покрытия на основе сверхструктур нитрида титана, формирующиеся при контролируемом ионно-стимулируемом превращении «беспорядок-порядок»

РуководительВолхонский Алексей Олегович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2017 г. - 2019 г. 

Конкурс№18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

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

Ключевые словаМногослойное покрытие, пара-трения, износостойкость, физико-механическое свойство, трение, структура, состав, термическая стабильность, сверхструктура.

Код ГРНТИ55.22.00


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Трибоадаптирующиеся, сверхтвердые, износостойкие покрытия является сегодня одним из основных научных направлений в области улучшения эксплуатационных характеристик различных пар трения, работающих в условиях высоких нагрузок циклического или знакопеременного характера, агрессивных сред и высоких температур. В настоящее время, с целью достижения требуемых физико-механических и трибологических свойств покрытий, активно ведутся работы по разработке сложных композиций и архитектурного строения осаждаемых конденсатов, в частности, на основе многокомпонентных нитридов тугоплавких металлов, а также алюминия и кремния. Однако они не нашли в настоящее время широкого применения в практике защиты и упрочнения трибо-пар из-за трудностей воспроизводства составов этих многокомпонентных систем при реализации процессов их напыления. В данном проекте будут выполнены исследования по разработке многослойных трибоадаптирующихся покрытий состава Ti-N(кристаллическая фаза) / X(аморфная фаза). Последовательные слои будут формироваться из однокомпонентных катодов, что позволит минимизировать вероятность изменения состава атомарно-молекулярного потока в процессе формирования покрытий и обеспечит воспроизводимость их состава и структуры. Новизна данного проекта состоит в том, что в слое неупорядоченной структуры TiNx, формирующейся при осаждении покрытия, будет реализован ионностимулированный фазовый переход в сверхструктуру Ti3N2 за счет протекания превращения «беспорядок-порядок». Формирование фазы Ti3N2 в процессе осаждения покрытия на основе TiNx связано с тем, что при снижении количества азота до определенного значения вследствие его распыления бомбардирующими подложку ионами средних энергии и соответствующего увеличения количества структурных вакансий в неметаллической подрешетке кубическая кристаллическая решетка типа NaCl нитрида титана становится неустойчивой (энергетически невыгодноий) и происходит ее трансформация в структуру типа CaF2. При при протекании указанного превращения, называемого в литературе термодинамически управляемой модуляцией состава и структуры, из-за некогерентности границ раздела кристаллической решетки фаз TiNх и Ti3N2 будет происходить фрагментация нанокристаллического слоя Ti-N на субслои. Это должно обеспечить формирования однородного зеренного состава, контролируемого толщиной соответствующих индивидуальных слоев и субслоев, а также развитой сетки суб- и межслойных, межзеренных границ, создающих препятствия движению дислокаций и распространению нано- и микротрещин, что в свою очередь даст возможность обеспечить комплекс высоких физико-механических свойств - сверхтвердость, оптимизацию соотношения между твердостью, вязкостью разрушения и модулем упругости; трибологических характеристик – снижения коэффициента трения за счет формирования высокодисперсных продуктов износа при трении, препятствующих интенсификации износа и выступающих в роли твердой смазки. Для обеспечения термической стабильности и дополнительного повышения физико-механических, трибологических свойств и жаростойкости в работе предполагается в архитектуру покрытий ввести дополнительные аморфные функциональные барьерные слои Х на основе Ni или Cu и Si3N4. Использование меди и никеля, не образующих нитриды, и слабо взаимодействующих с TiNx, так же, как и Si3N4 будет обеспечивать формирование термостабильных сверхтонких слоев сверхструктуры нитрида титана. Создание в целом такого структурно-фазового строения, характеризующегося чередованием аморфных и нанокристаллических слов на основе сверхструктур нитрида титана, дополнительно фрагментированных на субслои, будет обеспечивать подавление возникновения и развитие хрупких трещин за счет их изгиба на поверхностях раздела, экранирования вершин трещин за счет упругих деформаций на прочных поверхностях раздела, формированием более устойчивого распределения остаточных напряжений и искривлением трещины из-за большой разницы в жесткости смежных слоев. В ходе выполнения проекта планируется установить закономерности формирования сверхструктур нитрида титана при протекании реакции «беспорядок-порядок» и особенности структуро- и фазообразования многослойных покрытий с заданным уровнем свойств в условиях ионно-плазменного осаждения, определить концентрационно-энергетические параметры формирования сверхструктуры Ti3N2, что позволит разработать модель формирования многослойных покрытий на основе сверхструктуры нитрида титана. Также будут установлены оптимальные параметры формирования многослойных покрытий Ti-N/X, параметрические зависимости структуры, состава и свойств покрытий от условий их осаждения. Изучение структурно-фазовых превращений в покрытиях при нагреве, а также анализ фазового состава продуктов износа в области трибологического контакта позволит построить модель поведения системы (пары трения) в условиях нагружения при изменении температуры. Будут изучены механизмы трибоадаптации покрытий к условиям эксплуатации, связанные с температурно-активированным образованием самосмазывающихся высокотемпературных фаз и формированием высокодисперсных продуктов износа, термостабильность сверхструктуры и архитектурного строения многослойных покрытий. Итоговым результатом исследований должны стать рекомендации по разработке процесса формирования покрытий периодической структуры на основе сверхструктур нитрида титана с дополнительными барьерными функциональными слоями аморфного нитрида кремния, меди и никеля на парах-трения. Разрабатываемые трибоадаптирующиеся свехтвердые покрытия будут характеризоваться сочетанием следующих трибологических и физико-механических свойств: высокой твердостью (50-55 ГПа), вязкостью разрушения (относительная работа пластического деформирования не менее 60%), низким коэффициентом трения (0,3-0,4), прочностью соединения с подложкой (80-100 Н) при когезионном характере разрушения, термической стабильностью структуры и состава до 800 °С. Их применение на различных парах трения обеспечит повышение срока эксплуатации (времени наработки на отказ) до 2-3 раз, снижение вариационных разбросов стойкости до 20 % за счет реализации стабильного состава и структуры по площади трущихся поверхностей при соответствующем повышении эксплуатационной надежности деталей и механизмов.

Ожидаемые результаты
Будут разработаны и получены ионно-плазменные вакуумно-дуговые многослойные покрытия в системах Ti-N/Cu, Ti-N/Ni, Ti-N/Si3N4 в широком интервале изменяющихся параметров получения применительно к различным материалам подложек и исследованы концентрационно-энергетические параметры формирования сверхструктуры Ti3N2 в составе этих покрытий. В результате будет разработана модель формирования многослойных покрытий на основе сверхструктуры нитрида титана. С помощью высокоточных аналитических методов структурных исследований будут определены основные структурные характеристики покрытий (размер зерен, текстура, морфология, шероховатость поверхности и т.д.), их элементный и фазовый составы, что позволит установить параметрические зависимости между регулируемыми параметрами осаждения покрытий и их составом, структурой. С целью достоверного определения сверхструктуры в составе покрытий будут установлены положения линий соответствующих связи Ti-N в состоянии Ti3N2 на фотоэлектронных спектрах высокого разрешения, полученных методом РФЭС. Будут определены условия появления и закономерности ионно стимулированного формирования сверхструктуры Ti3N2 при вакуумно-дуговом ионно-плазменном осаждении указанных многослойных покрытий. С помощью высокоточных методов исследования физико-механических свойств покрытий будут определены твердость, модуль упругости, вязкость разрушения, работа пластической и упругой деформации разрушения, что позволит установить параметрические зависимости между физико-механическими свойствами и параметрами субструктуры, структуры и состава. Будет определена роль сверхструктруктуры Ti3N2 в изменении физико-механических свойств. Для корректного определения вязкости разрушения покрытий, ввиду невозможности идентификации данной характеристики для покрытий с высокой работой пластической деформации методом Палмквиста и его разновидностями, будет апробирован метод измерения данной характеристики за счет определения геометрических параметров медианных трещин по наклону кривой нагружения в методе непрерывного индентирования. Будут оптимизированы состав и архитектурное строение покрытий в системах Ti-N/Cu, Ti-N/Ni, Ti-N/Si3N4 с целью достижения оптимального соотношения между твердостью, вязкостью разрушения и модулем упругости; апробированы различные подходы к повышению вязкости разрушения покрытий за счет варьирования структуры, состава дополнительных барьерных, функциональных слоев. Будет определена термическая стабильность структуры, состава и свойств многослойных покрытий Ti-N/Cu, Ti-N/Ni, Ti-N/Si3N4, на основе концентрационных распределений элементов по толщине покрытия, полученных методом ЭОС или РФЭС, будут рассчитаны коэффициенты диффузии основных металлических элементов, входящих в состав покрытий при нагреве в интервале температур 600-900 °С. Это позволит разработать модель термической стабильность многослойной структуры покрытий и сверхструктуры нитрида титана Ti3N2. В области температур 600-900 °С, являющихся предельными для большинства пар трения, будет определена жаростойкость указанных покрытий, изучены структурно-фазовые превращения, происходящие при нагреве на воздухе. С использованием методов высокотемпературной трибометрии и склерометрии будут изучены трибологические свойства, адгезионная/когезионная прочность и характер разрушения покрытий при их испытании. Изучение структурно-фазовых превращений в покрытиях при нагреве, а также анализ элементного и фазового состава продуктов износа в области трибологического контакта методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии позволит построить модель поведения системы (пары трения) в условиях нагружения при изменении температуры. Будет изучен механизм трибоадаптации покрытий к условиям эксплуатации, связанный с температурно-активированным образованием самосмазывающихся высокотемпературных фаз и формированием дисперсных продуктов износа. Будут оптимизированы составы и архитектура покрытий с целью достижения стабильно низкого коэффициента трения в широком интервале температур. По результатам проведения оптимизации структурно-фазового состояния покрытий будет проведено апробирование оптимальных режимов нанесения покрытий с целью подтверждения полученных результатов, а также изучения их воспроизводимости с вариационным разбросом свойств, не превышающим ~20%. По результатам проведённых исследований будут разработаны рекомендации по формированию многослойных покрытий на основе сверхструктур нитрида титана с введением дополнительных функциональных, барьерных аморфных слоев меди, никеля и нитрида кремния. Будут установления эксплуатационных характеристик покрытий на различных парах трения. Так планируется исследовать эксплуатационные характеристики покрытий на парах-трения различных аэрокосмических и машиностроительных изделий. В ходе выполнения проекта будет подготовлено 9 статей в журналах Web of Science, по способам получения разрабатываемых покрытий планируется подать 2 заявки на патенты РФ и международные патенты.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Получены ионно-плазменные вакуумно-дуговые многослойные покрытия в системах Ti-(Al)-N/Cu, Ti-(Al)-N/Ni, Ti-N/Si-(Al)-N, Ti-Mo-N/Si-(Al)-N в широком интервале изменяющихся параметров получения применительно к подложкам из твердых сплавов ВК6НСТ, ТТ10К8Б и монокристаллический кремний. В качестве изменяющихся параметров синтеза были токи испаряющих дух на каждом из трех катодов, потенциал смещения, определяющий энергию формируемых покрытие ионов, скорость вращения покрываемых образцов относительно катодов, а также давление реакционного газа азота. Исследованы концентрационно-энергетические параметры формирования сверхструктуры Ti3N2 в составе этих покрытий и определены закономерности ионно-стимулированного формирования сверхструктуры Ti3N2 при вакуумно-дуговом ионно-плазменном осаждении указанных многослойных покрытий. Определено, что в композициях Ti-N/Si-(Al)-N формирование фазы Ti3N2 в процессе формирования слоя покрытия на основе TiNx происходит при потенциале смещения (Ub) выше -140 В. Протекание фазового перехода связано с тем, что при снижении количества азота до определённого значения вследствие его распыления бомбардирующими подложку ионами высоких энергий и соответствующего увеличения количества структурных вакансий в неметаллической подрешетке кубическая кристаллическая решетка типа NaCl нитрида титана становится неустойчивой (энергетически невыгодной), и происходит ее трансформация в структуру типа CaF2 фазы Ti3N2. Полученное значение подтверждается проведенными расчётами. Однако для покрытий других исследуемых составов образование сверструктуры не происходит во всем диапазоне значений потенциала смещения от -80 до -300 В. Это объясняется тем, что протекание фазового перехода TiNx->Ti3N2 по сдвиговому механизму превращения стимулируется высоким уровнем формируемых в покрытиях Ti-N/Si-(Al)-N макронапряжений, достигающих значений 7,6 ГПа. В свою очередь сохранение меди и никеля в металлическом состоянии в составе покрытий Ti-(Al)-N/Cu, Ti-(Al)-N/Ni приводить к релаксации как термических, возникающих из-за разницы коэффициентов линейных термических расширений, так и структурно-фазовых макронапряжений, появление которых определяется структурной и фазовой неоднородностью в покрытиях, появляющейся в процессе их роста. Её механизм связан как с диссипацией полей напряжения в пластичной фазе, так и с разрушением перемычек (стяжек) вязкой фазы в мостовой структуре композита. Определено положение линий Ti2p3/2 и Ti2p1/2 на фотоэлектронных спектрах высокого разрешения, соответствующих соединению Ti3N2. Полученные результаты подтверждены методом рентгенофазового анализа. С помощью высокоточных аналитических методов структурных исследований определены основные структурные характеристики покрытий Ti-(Al)-N/Cu, Ti-(Al)-N/Ni, Ti-N/Si-(Al)-N (размер зерен, текстура, морфология, шероховатость поверхности и т.д.), их элементный и фазовый составы, что позволило установить параметрические зависимости между регулируемыми параметрами осаждения покрытий, их составом и структурой. Методами микрорентгеноспектрального, рентгеновского фазового анализа и рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии исследован элементный и фазовый состав получаемых покрытий. Показано, что увеличение отрицательного потенциала смещения, подаваемого на подложку и увеличение при этом энергии напыляемых частиц приводит к снижению содержания азота, кремния, меди и алюминия, что связано с их распылением ионами средних энергий, бомбардирующих подложку. Содержание азота в нитриде титана отвечает формуле TiNx с x = 0,76 до x = 0,79. При повышении потенциала смещения до Ub=-140 В нестехиометричность TiNx возрастает до x=0,66, что объясняется, как и в случае с кремнием, увеличивающейся вероятностью распыления этого элемента из связанного состояния. При этом, как отмечалось выше, для покрытий Ti-N/Si-(Al)-N происходит фазовый переход от TiNx со структурой NaCl в Ti3N2 со структурой CaF2. Фотоэлектронные спектры высокого разрешения и энергии связи фотоэлектронов Cu2p, Ni2p, Si2p и Mo3d подтверждают их формирование в структуре покрытия в металлическом состоянии и в виде фаз Si3N4 и Mo2N соответственно. Методом растровой электронной микроскопии исследована морфология поверхности полученных покрытий. Она характеризуется ячеистой структурой, параметры которой зависят от структуры исходной подложки, и малым содержанием капельной фазы. С помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения исследована структура полученных покрытий. Она состоит из чередующихся слоев толщиной 5-30 нм, формируемых из составляющих соответствующих катодов в среде реакционного газа азота. Определены закономерности изменения характеристик структуры при варьировании параметров синтеза. Установлено, что увеличение Ub до -140 В для покрытий Ti-N/Si-(Al)-N приводит к появлению внутри кристаллических слоев TiNx толщиной 15 нм субслоев размером 2–3 нм, появление которых связано с трансформацией кристаллической решетки типа NaCl фазы TiN в структуру типа CaF2 фазы Ti3N2, о котором упоминалось выше. Методом рентгеноструктурного анализа исследована субструктура покрытий. Полученные результаты определения величин областей когерентного рассеяния и микродеформаций кристаллической решетки нитрида титана в исследуемых покрытиях. Показано, что для всех исследуемых покрытий при увеличении Ub до -120 В наблюдается рост микродеформаций кристаллической решетки TiN, что, по-видимому, связано с большей вероятностью появления в структуре нитрида титана дефектов анти-Шоттки и пар Френкеля из-за эффекта ионного наклепа. Резкое уменьшение величин микродеформаций в TiNx, содержащемся в покрытиях Ti-N/Si-(Al)-N сформированных при Ub=-140 В, может быть объяснено возникновением упорядоченной фазы Ti3N2. Оптимизированы состав и архитектурное строение покрытий в системах Ti-(Al)-N/Cu, Ti-(Al)-N/Ni, Ti-N/Si-(Al)-N и Ti-Mo-N/Si-(Al)-N с целью достижения оптимального соотношения между твердостью, вязкостью разрушения и модулем упругости. Полученные покрытия обладают экстремумом твердости 54-56 ГПа и модуля упругости 570-770 ГПа при сохранении относительно высокой вязкости разрушения, которые наблюдаются для покрытий Ti-N/Si-(Al)-N и Ti-Mo-N/Si-(Al)-N при параметрах получения обеспечивающих формирования выраженной многослойности с минимальным периодом модуляции 20-25 нм и формированием фазы Ti3N2 (только для покрытий Ti-N/Si-(Al)-N). Для металло-керамеческих покрытий Ti-(Al)-N/Ni и Ti-(Al)-N/Cu) за счет введения в их состав пластичного металла характерно наличие повышенной вязкости разрушение (относительная работа плстиической деформации более 60%) твердость возрастает от 20-22 до 49 ГПа при изменении содержании никеля от 0 до 12–13 ат.% и меди от 0 до 9-10 ат.%, что определяется влиянием наноструктурирования нитридной составляющей покрытий. Дальнейшее возрастание содержания никеля и меди в покрытиях характеризуется уменьшением их твердости до 16-23 ГПа, что связано с влиянием мягкого пластичного металла и формированием заметной пористости в объеме покрытия. В результате были установлены оптимальные параметры получения покрытий с точки зрения из физико-механический свойств (Ub=-120/-140 B, n=~2 об/мин, I=120 А, p(N2)=0,3 Па).

 

Публикации

1. Блинкoв И.B., Белoв Д.C., Boлxoнский A.О., Cеpгевнин B.C., Hизaмoв A.H., Чеpнoгop А.B., Киproxaнцев-Кopнеев Ф.B. Heat resistanсе, high-tеmpеrature tribologiсal and еlесtroсhemiсal bеhavior of arс-PVD nanostruсturеd multilayer сoatings Ti-Al-Si-N) Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, - (год публикации - 2018)

2. Блинков И.В., Волхонский А.О., Белов Д.С., Сергевнин В.С., Черногор А.В., Киселева Т.В., Бондарев А.В. Высокотвердые наноструктурные керамико-металлические покрытия с низким уровнем макронапряжений Письма в ЖТФ, 2018, том 44, вып. 4, С. 80-85 (год публикации - 2018)

3. Блинков И.В., Волхонский А.О., Белов Д.С., Сергевнин В.С., Черногор А.В., Киселева Т.В., Бондарев А.В. Superhard nanostructured ceramic-metal coatings with a low level of stresses Technical Physics Letters, - (год публикации - 2018)

4. Блинков И.В., Черногор А.В., Волхонский А.О., Левинский Ю.В., Сергевнин В.С., Белов Д.С. Структуро- и фазообразование в системе Mo-Si-Al-Zr-N при формировании тонно-плазменных вакуумного-дуговых покрытий и их свойства Металлы, - (год публикации - 2018)

5. Волхонский А.О., Блинков И.В., Левинский Ю.В., Белов Д.С. Исследование высокотемпературной стабильности и жаростойкости покрытий TiAlN-Cu, TiAlN-Ni на основе анализа диффузионных процессов при отжиге Металлы, - (год публикации - 2018)

6. Волхонский А.О., Блинков И.В., Левинский Ю.В., Скрылева Е.А. Evaluation of Thermal Stability of Multilayered Nanostructured Coatings Based on Analysis of Diffusion Mobility of Components of the Layers Russian Journal of Non-Ferrous Metals, Vol. 58, No. 6, pp. 678–683 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.3103/S1067821217060141


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Определены трибологические характеристики покрытий. Коэффициент трения покрытий при комнатной температуре Ti-Al-N/Cu - 0,55; Ti-Al-N/Ni – 0,40; Ti-N/Si-Al-N – 0,61; Ti-Mo-N/Si-Al-N – 0,35, при увеличении температуры до 600 °С значения коэффициентов трения возрастают до 0,50-0,80. Минимальным коэффициентом трения характеризуются покрытия Ti-Mo-N/Si-Al-N за счет образования в процессе трения оксида MoO3, выступающего в качестве материала твердой смазки. Определены параметры адгезионной/когезионной прочности покрытий Ti-Al-N/Cu, Ti-Al-N/Ni, Ti-N/Si-Al-N, Ti-Mo-N/Si-Al-N с подложкой и механизмы их разрушения. Полученные результаты позволяют судить о преимущественно когезионном характере разрушения покрытий, связанным с пластической деформацией и образованием трещин в материале покрытия. Установлены закономерности влияния архитектуры разрабатываемых покрытий на характер их разрушения. Для многослойных покрытий Ti-N/Si-Al-N, Ti-Mo-N/Si-Al-N на параметр Lc1, определяющий появление в покрытии первой трещины, существенное влияние оказывает период модуляции слоёв покрытий, с уменьшением которого Lc1 растёт. Для покрытий с равномерно распределёнными наноразмерными компонентами (Ti-Al-N/Cu, Ti-Al-N/Ni) величина Lc1 возрастает по мере измельчения нанозёрен. Существенное влияние на высокую адгезионную прочность, когезионный характер разрушения исследуемых покрытий оказывает так же макронапряжённое состояние вакуумно-плазменных конденсатов. Разработана модель трибоадаптации покрытий к условиям эксплуатации, связанная с температурно-активированным образованием смазывающих высокотемпературных фаз и формированием дисперсных продуктов износа. Модель позволяет определять вероятные механизмы трибоадаптации покрытий при трении, а также выбирать оптимальные температуры эксплуатации. Показана высокая стойкость керамикометаллических покрытий к эрозионному изнашиванию в условиях гидроабразивного потока. Покрытия Ti-Al-N/Cu, Ti-Al-N/Ni, Ti-N/Si-Al-N, Ti-Mo-N/Si-Al-N показали стойкость в 6-8 раз выше, чем у твердого сплава без покрытия и в 3-4 раза выше, чем у покрытия Ti-Al-N соответственно. Механизмы структурно-фазовых превращений в покрытиях Ti-Al-N/Cu, Ti-Al-N/Ni, Ti-N/Si-Al-N в окислительной среде определены при проведении исследований коррозионной стойкости покрытий. Полученные результаты показывают высокую эффективность их применения для защиты от коррозии как в кислотной, так и в щелочной средах. Несмотря на то, что присутствие атомов меди и никеля в составе покрытия, способствующих наноструктурированию системы, приводит к некоторому ухудшению пассивационных характеристик данных керамикометаллических покрытий по сравнению с керамическим покрытием Ti-Al-N, они характеризуются достаточно высокой склонностью к самопассивации, низкими значениями плотностей токов пассивного состояния и высокой устойчивостью к питтинговой коррозии, которая не реализуется по причине быстрого перехода процесса от стадии зарождения питтинга в стадию его репассивации. Исследуемое покрытие Ti-N/Si-Al-N характеризуется более высокой склонностью к самопассивации, чем покрытия Ti-Al-N/Cu, Ti-Al-N/Ni. Об этом можно судить по низким значениям плотностей токов пассивного состояния. Данные покрытия имеют высокую устойчивость к питтинговой коррозии. Об этом свидетельствует отсутствие зон флуктуации значения плотностей тока при высоких величинах напряжения. Как в кислой, так и в щелочной средах покрытие Ti-N/Si-Al-N изучаемого состава проявляет высокую электрохимическую устойчивость, находясь в пассивном состоянии, что определяется образованием на их поверхности SiO2 и Al2O3. Определены механизмы структурно-фазовых превращений в покрытиях Ti-Al-N/Cu, Ti-Al-N/Ni, Ti-N/Si-Al-N, Ti-Mo-N/Si-Al-N при нагреве в вакууме. Показано, что элементный и фазовый состав покрытий не меняется в ходе исследований. После термообработки вплоть до 1100 °С у многослойных покрытий (Ti-N/Si-Al-N, Ti-Mo-N/Si-Al-N) сохраняется архитектура с чётко выраженными границами слоёв, что подтверждено результатами исследований на ПЭМ и при послойном анализе методом ОЖЕ-спектрометрии. При максимальных реализуемых температурах 800 °С для покрытий Ti-Al-N/Cu, Ti-Al-N/Ni и 1100 °С для покрытий Ti-N/Si-Al-N, Ti-Mo-N/Si-Al-N наблюдается увеличение ОКР и снижение уровня микродеформаций кристаллической решетки на основе Ti-N. Структурные изменения сопровождаются уменьшением твёрдости до 31±2 ГПа против 48±3 и до 43±3 против 48 ГПа для первой и второй групп покрытий соответственно. Показана высокая стойкость разрабатываемых покрытий в условиях многоциклового ударного нагружения по сравнению с керамическим покрытием TiAlN-образцом сравнения и непокрытым твёрдосплавным образцом (сплав ВК6), которые проявляли усталостное хрупкое разрушение уже при 104 циклах нагружения. Покрытия же Ti-Al-N/Cu, Ti-Al-N/Ni, Ti-N/Si-Al-N, Ti-Mo-N/Si-Al-N показали значительную стойкость, проявляя характеристики пластичного материала, несмотря на наличие высокой твердости. После 105 циклов нагружения в 1000 Н они не демонстрировали хрупкого растрескивания и сохраняли свою сплошность. Такое поведение при усталостном нагружении данных покрытий связано с высокой относительной работы пластического деформирования, определяемой наличием наноразмерной слоистой архитектуры (в случае покрытий Ti-N/Si-Al-N, Ti-Mo-N/Si-Al-N) и присутствием в керамикометаллических покрытиях (Ti-Al-N/Cu, Ti-Al-N/Ni) пластичной металлической составляющей. Разработана и зарегистрирована в Государственном реестре программ для ЭВМ (свидетельство №2018613346) программа для численного моделирования плазменных потоков, участвующих в формировании многокомпонентных покрытий. На её основе создана стохастическая модель формирования структуры покрытий, осаждаемых в результате горения вакуумной дуги. В качестве входных параметров модели используются физические постоянные материалов катодов (распределения энергий и зарядов ионов катодной дуги, радиус и масса атомов), давление реакционной среды и параметры магнитных полей испарителей. Модель позволяет оценить характерное распределение химических элементов, содержащихся в покрытии. Это в свою очередь дало возможность оптимизировать работу катодных испарительных систем, включающих катодный узел и систему сепарирования капельной фазы, для осаждения керамикометаллических и керамических наноструктурных покрытий заданного состава и структуры. Проведена оптимизация состава/архитектуры покрытий Ti-Al-N/Cu, Ti-Al-N/Ni, Ti-N/Si-Al-N, Ti-Mo-N/Si-Al-N с учетом проведенных трибологических исследований и отработка режимов нанесения таких покрытий. По результатам контрольного анализа вариационный разброс свойств покрытий не превышает 10%, что является очень хорошим результатом для ионно-плазменных покрытий и практически недостижимым для многофазных монослойных покрытий.

 

Публикации

1. Белов Д.С., Блинков И.В., Сергевнин В.С., Смирнов Н.И., Волхонский А.О., Бондарев А.В., Лобова Т.А. Abrasive, hydroabrasive, and erosion wear behaviour of nanostructured (Ti,Al)N-Cu and (Ti,Al)N-Ni coatings Surface & Coatings Technology, V. 338, pp. 1–13 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.01.066

2. Блинков И.В., Белов Д.С., Волхонский А.О., Сергевнин В.С., Низамова А.Н., Черногор А.В., Кирюханцев-Корнеев Ф.В. ЖАРОСТОЙКОСТЬ, ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКОЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ arc-PVD НАНОСТРУКТУРНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ Ti–Al–Si–N ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, том 54, № 3, с. 269–279 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.7868/S0044185618030087

3. Блинков И.В., Волхонский А.О., Черногор А.В., Сергевнин В.С., Белов Д.С., Полянский А.М. Structure, Composition, and Properties of Arc PVD Mo–Si–Al–Ti–Ni–N Coatings Inorganic Materials, Vol. 54, No. 5, pp. 437–445 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S0020168518050023

4. Блинков И.В., Волхонский А.О., Черногор А.В., Сергевнин В.С., Белов Д.С., Полянский А.М. СТРУКТУРА, СОСТАВ И СВОЙСТВА ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ПОКРЫТИЙ Mo–Si–Al–Ti–Ni–N НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, том 54, № 5, с. 458–466 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.7868/S0002337X18050056

5. Волхонский А.О., Блинков И.В., Белов Д.С. Superhard amorphous/nanocrystalline multilayer coatings for carbide inserts used for intermittent cutting International Journal of Advanced Manufacturing Technology, V.96, pp. 2953–2962 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1007/s00170-018-1669-7

6. Сергевнин В.С., Блинков И.В., Белов Д.С., Смирнов Н.И., Волхонский А.О., Купцов К.А. Wear and erosion of arc-PVD multilayer Ti-Al-Mo-N coatings under various conditions of friction and loading International Journal of Advanced Manufacturing Technology, V. 98, pp. 593–601 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1007/s00170-018-2235-z

7. Сергевнин В.С., Блинков И.В., Волхонский А.О., Белов Д.С., Демиров А.П. ТРИБОАДАПТИРУЮЩИЕСЯ ВЫСОКОТВЕРДЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ТИТАНА С НЕУПОРЯДОЧЕННОЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ TRIBOADAPTIVE HARD COATINGS BASED ON TITANIUM NITRIDE WITH DISORDERED STRUCTURE ЧЕТВЕРТЫЙ МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЙ НАУЧНЫЙ ФОРУМ С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ "НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ". СБОРНИК МАТЕРИАЛОВ, ТОМ II, 837 с. (год публикации - 2018)

8. Черногор А.В., Блинков И.В., Белов Д.С., Волхонский А.О., Сергевнин В.С. ОБУЧАЮЩАЯ ПРОГРАММА «ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАССОПЕРЕНОСА ПЛАЗМЫ ЧЕРЕЗ МАГНИТНЫЕ СЕПАРАТОРЫ КАПЕЛЬНОЙ ФАЗЫ» -, 2018613346 (год публикации - 2018)


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Исследована термическая стабильность и жаростойкость покрытий в системах Ti-Al-N/Cu, Ti-Al-N/Ni, Ti-N/Si-Al-N, Ti-Mo-N/Si-Al-N. Установлено, что в процессе отжига покрытий Ti-Al-N/Cu, Ti-Al-N/Ni в вакууме 10-5 Па при температурах до 700 ºС фазовый состав покрытий остается неизменным, но при дальнейшем повышении температуры отжига до 800 ºС происходит повышение параметра кристаллической решетки нитридной фазы до TiNx близкого к стехиометрическому составу, а также уменьшение уровня микродеформаций и повышение размера ОКР. При отжиге в вакууме аморфно-нанокристаллических мультислойных покрытий Ti-N/Si-Al-N при температурах 700-1100°С фазовый состав так же не меняется. После термообработки сохраняется архитектура с чётко выраженными границами слоёв. Однако в покрытиях Ti-N/Si-Al-N, подвергнутых нагреву в вакууме при 1000 и 1100°С, несколько возрастают значения областей когерентного рассеяния рентгеновского излучения с 8,5-9,5 до 11-12 нм соответственно, уменьшаются значения микродеформаций с 1,1 до 0,6-0,7%. Структурные изменения сопровождаются незначительным уменьшением твёрдости покрытий всех составов. Термическая обработка не меняет характер когезионного разрушения покрытий и не влияет на их адгезионную прочность. После отжига несколько изменяется характер разрушения образцов, сопровождающийся появлением при царапании более крупных фрагментов материала покрытия, что связано с изменением макронапряженного состояния композита « покрытие-основа», сопровождающегося уменьшением сжимающих макронапряжений с -4,6 до -0,6 ГПа соответственно в исходном покрытии и после отжига при температуре 1100 °С. Уменьшение износостойкости после термической обработки покрытий, проявляющееся в увеличении износа и увеличении коэффициента трения может быть связано не только с относительно небольшим уменьшением твёрдости, но и с изменяющемся характером их когезионного разрушения, сопровождающегося появлением относительно крупных фрагментов, которые играют роль высокотвёрдых абразивных частиц, находящихся между поверхностями трения. Покрытие Ti-Al-N/Cu, Ti-Al-N/Ni, Ti-N/Si-Al-N характеризуется частичным окислением при нагреве на воздухе до 800°С и полным переходом нитридых фаз в оксиды и оксинитридные соединения при 900 °С. Высокие защитные свойства покрытий Ti-Al-N/Ni по сравнению с прочими определяются формированием барьерного слоя на основе оксидов NiO, TiO2 и TiNiO3. Окисления материала подложки при этом не происходит. Для покрытия Ti-Mo-N/Si-Al-N характерно отсутствие заметного защитного действия от окисления при повышенных температурах, что связано c летучим триоксидом молибдена, образующимся при окислении нитрида молибдена, который интенсивно испаряется и разрушает плёнку на основе оксидов титана, алюминия и кремния. Методом ВОЭСТР определены распределения элементов по глубине покрытий, по которым были измерены толщины оксидного и диффузионного слоев. По полученным концентрационным распределениям элементов рассчитаны значения коэффициентов диффузии кислорода в покрытия при нагреве в интервале температур 600 – 800 ºС. Проведенные сравнительные исследуемых покрытий на твердосплавном режущем инструменте в условиях постоянных нагрузок на сталях 09Г2С и 35ХГСА и знакопеременных нагрузок на сталях ЭП302Ш, Сталь 50 и 40Х показали прирост стойкости данных покрытий по сравнению с твердым сплавом без покрытия в 3-9 и в 1,7-6 раз и с покрытием (Ti,Al)N в 2-3 и 1,4 раза соответственно. Созданы технические условия и технологический процесс на пластины твердосплавные с наноструктурным керамикометаллическим покрытием.

 

Публикации

1. Блинков И.В., Белов Д.С., Волхонский А.О., Черногор А.В., Сергевнин В.С., Демиров А.П. ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ И ПРОЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЯ С ТВЕРДОСПЛАВНОЙ ОСНОВОЙ ИЗНОСОСТОЙКИХ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ПОКРЫТИЙ Ti–N, Ti–Al–N, Ti–Al–Cr–N, Ti–Al–Ni–N МЕТОДОМ СКРЕТЧ-ТЕСТИРОВАНИЯ Трение и износ, Том 40, No 2, 218-226 (год публикации - 2019)

2. Волхонский А.О., Белов Д.С., Демиров А.П., Шестаков В.М., Киселев Т.В. Thermal stability, mechanical and tribological behavior of Ti-Al-Si-N ion-plasma coating Journal of Physics: Conference Series, 1313 (2019) 012059 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1313/1/012059

3. Волхонский А.О., Блинков И.В., Левинский Ю.В., Белов Д.С. Study of the High-Temperature Stability and the Heat Resistance of TiAlN–Cu and TiAlN–Ni Coatings by Analyzing the Diffusion Processes in Annealing Russian Metallurgy (Metally), Vol. 2018, No. 11, pp. 1088–1093 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S0036029518110125

4. Сергевнин В.С., Блинков И.В., Волхонский А.О., Белов Д.С., Черногор А.В. Structure formation of adaptive arc-PVD Ti-Al-Mo-N and Ti-Al-Mo-Ni-N coatings and their wear-resistance under various friction conditions Surface and coating technology, 376 (2019) 38–43 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.09.068


Возможность практического использования результатов
не указано