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 15-19-00203

НазваниеРазработка и получение наноструктурированных, нанокомпозиционных, многослойных и функционально-градиентных покрытий с повышенной эрозионной, коррозионной и абразивной стойкостью и усталостной прочностью

РуководительШтанский Дмитрий Владимирович, Доктор физико-математических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ

2018 г. - 2019 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований».

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

Ключевые словаНанокомпозиционные покрытия, функционально-градиентные покрытия, электроискровое легирование, магнетронное распыление, ионная имплантация, структура, химические, механические и трибологические свойства

Код ГРНТИ55.22.23

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект направлен на решение важной научной проблемы повышения эрозионной, коррозионной, абразивной и усталостной прочности промышленных изделий и конструкций путем осаждения наноструктурированных, нанокомпозиционных, многослойных и функционально-градиентных покрытий. Работы по проекту включали в себя три основных направления решения конкретных задач приоритета П7-1-1: (1) синтез новых составов электродных материалов, (2) разработку комбинированной технологии осаждения покрытий и (3) получение новых видов защитных покрытий с высоким уровнем свойств. В рамках настоящего проекта была впервые реализована комбинированная технология осаждения наноструктурированных, нанокомпозиционных, многослойных и функционально-градиентных покрытий с использованием различных методов: электроискрового легирования (ЭИЛ), ЭИЛ с дополнительной ионизацией разрядного промежутка за счет плазменного пробоя и импульсного дугового испарения. При таком подходе удалось совместить основные преимущества каждого из методов при нанесении покрытий в едином технологическом цикле. Собранная при поддержке РНФ экспериментальная установка позволила проводить обработку поверхности в смеси различных газов при варьировании давления от атмосферного до 0.01 Па. ЭИЛ обработка в реакционной атмосфере при пониженном давлении, оптимальном для газового пробоя, обеспечивает высокую производительность процесса. Постепенное снижение давления до 0.1 Па, характерного для PVD процессов, и постепенное увеличение дистанции между электродом и поверхностью обеспечивает переход к процессу импульсного дугового испарения (ИДИ). Двухслойные покрытия обладают рядом преимуществ перед однослойными: ЭИЛ подслой обеспечивает идеальную адгезию и большую толщину покрытия (до 100 мкм), а верхний более тонкий слой (до 10 мкм), полученный по технологии ИДИ, обеспечивает высокие механические характеристики, за счет отсутствия в составе элементов подложки. Разработанный «Способ нанесения покрытий, объединяющий импульсную электроискровую обработку и импульсное дуговое испарение» защищен секретом производства - ноу-хау. По результатам проекта опубликовано 11 научных работ, 8 из которых в журналах из первого квартиля баз данных Web of Science или Scopus (Surf. Coat. Technol. – 3 статьи, Tribol. Lett. -1 , Ceram. Internat. - 1, Int. Mater. Rev. - 1, Corrosion Science - 1, J. Biomed. Mater. Res. B - 1). Журналы International Materials Review и Corrosion Science попадают в топ 10% по направлению Материаловедение. При реализации проекта в 2015-2017 гг. были получены следующие важные научные результаты, вносящие существенный вклад в решение ключевой проблемы научного приоритета. 1) Разработаны новые составы электродных материалов и катодов-мишеней в системах Si-C-B, Zr–B–Si и Cr-Al-Si-B, которые в дальнейшем были успешно использованы в технологиях осаждения покрытий. В частности показано, что покрытия Cr-Al-Si-B, полученные методом ЭИЛ, значительно увеличивают твердость, износо- и жаростойкость никелевых сплавов Inconel 718. 2) Разработаны сверхтвердые многослойные покрытия SiBCN/TiAlSiCN и AlOx/TiAlSiCN с исключительно высокой термической стабильностью до температуры 1400 °С и жаростойкостью до 1100 °С. 3) Разработаны наноструктурированные и аморфные покрытия в системе Al-Ni-Ti-Si-B-(N) с высокой твердостью и стойкостью к абразивному износу. 4) Разработаны жаростойкие покрытия Mo-Si-B, обеспечивающие стойкость к высокотемпературному окислению при нагреве до 1700 °C. 5) Двухслойные покрытия WC-Co, осажденные на титановые подложки комбинацией методов ЭИЛ и ИДИ, продемонстрировали исключительно высокую износостойкость (скорость изнашивания менее 1,4х10^(-7) мм3/Нм) и низкий коэффициент трения (0,13-0,16) при нагрузке 10 Н и дистанции пробега более 1 км. 6) Установлено, что электроискровая обработка углеродсодержащими материалами увеличивает твердость титанового сплава (в 5,7 раз), снижает коэффициент трения (более чем в 2 раза) и существенно увеличивает износостойкость. 7) Разработаны покрытия Cr-B-N с высокой адгезионной прочностью (критическая нагрузка >70 Н) и трещиностойкостью. Покрытия обладали низкими коэффициентом трения (< 0.4) и скоростью износа (< 2х10^(-6) мм3/Нм) в паре трения с WC-Co. Кроме того, покрытия Cr-B-N показали высокую стойкость к циклическим ударно-динамическим нагрузкам, выдержав нагрузку 1000 Н при 10^6 циклах. Покрытия показали высокие режущие характеристики при фрезеровании хромистой стали. 8) Получены покрытия (Ti,Nb)(C,N) с высокой твердостью 40 ГПа и улучшенными трибологическими характеристиками (низкий коэффициент трения и высокая износостойкость) в широком температурном интервале. 9) Показана перспективность использования комбинации электроискровых и ионно-плазменных технологий для получения биосовместимых покрытий с заданным химическим составом и топографией поверхности. 10) Показано, что комбинация методов ЭИЛ и магнетронного распыления (МР) позволяет получать двухслойные покрытия TiC-NiAl/TiC-Ni с улучшенной трещиностойкостью, износо- и жаростойкостью по сравнению с однослойным покрытием TiC-NiAl, полученным методом МР, и с более низким коэффициентом трения и повышенной коррозионной стойкостью по сравнению с однослойным покрытием TiC-Ni, полученным методом ЭИЛ. Тематика данного проекта, не только сохраняет высокую актуальность, но и, по-видимому, будет вызывать повышенный интерес международного научного сообщества в ближайшие десятилетия, так как современные мировые тенденции конструирования сложных узлов и деталей машин, оборудования, конструкций зданий и сооружений, элементов летательных аппаратов сводятся к использованию наиболее эффективных методов обработки, снижению материалоемкости, разделению функционального назначения поверхностей в пределах одного изделия. В массовом производстве часто используется замена одного материала на другой, более легкий и дешевый, при одновременным упрочнении поверхности, обеспечивающем увеличение общего ресурса работы. Поверхность материалов во многом определяет механическую прочность, износостойкость, жаро- и коррозионную стойкость всего изделия в целом. Основными целями и задачами проекта на 2018-2019 гг. являются следующие. (1) Модернизация экспериментальной установки для реализации новых возможностей комбинированной технологии: (а) разработка и установка оригинального биполярного блока питания смещения образцов, синхронизированного с импульсами ИДИ, (б) дооснащение системы позиционирования дополнительной поворотной осью и (в) закупка и установка несбалансированного магнетрона. (2) Разработка технологии плазменно-активированного поверхностного насыщения углеродом и азотом, совмещенного с процессами импульсной электроискровой обработки и импульсного дугового испарения. (3) Разработка и получение двухслойных покрытий в системе WC-Co на титановой подложке с применением технологии диффузионного насыщения с последующим осаждением верхнего слоя с высоким содержанием углеродной фазы. (4) Разработка и получение многослойных износо- и коррозионно-стойких покрытий в системе TiC-NiCr для защиты изделий из углеродистых сталей. (5) Разработка и получение композиционных покрытий на основе интерметаллида NiAl, для защиты от износа и коррозии при повышенных температурах деталей турбин тепловых электростанций (ТЭС) и узлов авиационной техники. (6) Апробация электродов-катодов NiAl-CrCx, синтезированных в режиме СВС-литья, для формирования на поверхности жаростойких сталей двухслойных твердых износостойких покрытий, обладающих повышенной жаро- и коррозионной стойкостью. (7) Разработка и получение многослойных покрытий комбинацией методов ЭИЛ, ИДР и магнетронного распыления.

Ожидаемые результаты
Комбинированная установка осаждения нанокомпозиционных, многослойных и функционально-градиентных покрытий, совмещающая методы электроискрового легирования (ЭИЛ), ЭИЛ с дополнительной ионизацией разрядного промежутка за счет плазменного пробоя и импульсного дугового испарения (ИДИ) будет оснащена новыми узлами, обеспечивающими возможность реализации плазменно-активированного диффузионного насыщения из газовой фазы. Помимо этого, технология магнетронного распыления будет интегрирована в технологический процесс осаждения покрытий. Будет разработана технология плазменно-активированного поверхностного насыщения титана углеродом и азотом, совмещенного с процессами импульсного ЭИЛ и импульсного ИДИ. Будут оптимизированы режимы получения двухслойных покрытий в системе WC-Co на титановой подложке с применением технологии диффузионного насыщения с последующим осаждением верхнего слоя с высоким содержанием углеродной фазы (diamond-like carbon, DLC). Будут разработаны и получены новые составы покрытий на основе интерметаллида NiAl, предназначенных для защиты от износа и коррозии при повышенных температурах деталей турбин тепловых электростанций и узлов авиационной техники. Будут разработаны и получены новые составы многослойных и функционально-градиентных покрытий в системе TiC-NiCr с высокой твердостью, износо- и коррозионной стойкостью для защиты изделий из углеродистых сталей. Будут разработаны и получены новые составы многослойных и функционально-градиентных покрытий в системе CrC-NiAl с высокой твердостью, износостойкостью, жаро- и коррозионной стойкостью для защиты жаростойких сталей. Будут получены новые составы нанокомпозиционных, многослойных и функционально-градиентных покрытий в системах Ti(Al,Cr)SiCN/TiNbC(N) и TiCrBN/TiNbC(N) со сложной многослойной архитектурой за счет комбинации методов ЭИЛ, ИДИ и магнетронного распыления. Будут определены зависимости между технологическими параметрами осаждения покрытий, их структурой и свойствами. С помощью высокоточных аналитических методов структурных исследований будут определены основные структурные характеристики покрытий (размер зерен, элементный и фазовый состав, текстура, морфология, пористость, шероховатость поверхности). Будут определены химические, механические и трибологические характеристики многослойных покрытий. Будет изучен состав продуктов износа в зонах эрозионного или трибологического контакта, проанализированы механизмы деформации и разрушения различных слоев покрытий и установлено их влияние на долговечность материалов. Будут изучены механизмы деформации и разрушения покрытий на основе макро (индентирование, царапанье, ударно динамические испытания) и микро подхода (проведение механических испытаний in situ непосредственно в колонне просвечивающего электронного микроскопа). Будут определены кинетика изменения потенциала свободной коррозии покрытий и изучено их катодно-анодное поведение. Будут намечены и реализованы пути дальнейшего повышения коррозионной стойкости покрытий в различных агрессивных средах. Будут разработаны научные и технологические подходы к получению многослойных и функционально-градиентных покрытий, в которых каждый слой выполняет отведенную ему роль (повышает твердость, улучшает вязкость многослойной конструкции, обеспечивает защиту от коррозии или высокотемпературного окисления, способствует повышению износостойкости или снижению коэффициента трения). Разрабатываемые покрытия предназначены для защиты от износа, коррозии и окисления широкого спектра материалов (титановые сплавы, жаропрочные сплавы, углеродистые стали) путем нанесения многослойных твердых и износостойких покрытий с функциональными слоями различного назначения. Комбинированная технология предлагает широкие возможности по изменению состава и комбинации слоев в едином технологическом цикле. Это гарантирует ее востребованность в различных областях промышленности: машиностроении, авиационной промышленности, кораблестроении, нефтегазовой отрасли, химической промышленности и др. Дополнительным фактором, повышающим социальную значимость инновационной разработки, является подготовка кадров высшей квалификации, магистрантов и аспирантов НИТУ «МИСиС», участвующих в работах по данной тематике. Анализ современной научной литературы в области комбинированных вакуумных технологий подтверждает, что разработка находится на острие мировых исследований в данной области. Научный коллектив ставит перед собой задачу публикации полученных результатов в международных научных журналах из первого квартиля баз данных Web of Science или Scopus.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Разработаны функционально-градиентные покрытия с повышенной эрозионной, коррозионной и абразивной стойкостью в системах WC/C и TiC/C, полученных комбинацией методов электроискрового легирования (ЭИЛ) и импульсного дугового испарения (ИДИ) в вакууме в различных реакционных газах. Изготовлены новые электроды в системе TiCNiCr, содержащие функциональную добавку Eu2O3. Показано, что добавка Eu2O3 в электродный материал TiCNiCr повышает длительность протекания электрических импульсов при ЭИЛ обработке, что приводит к увеличению скорости формирования покрытия, и, соответственно, повышению производительности процесса ЭИЛ. Получены двухслойные покрытия TiC-NiCr с использованием мишени TiCNiCr- Eu2O3. Система WC/a-C Исследования по системе WC велись в двух направлениях: (I) формирование диффузионно-насыщенного слоя в процессе электроискрового легирования (ЭИЛ) и (II) оптимизация и осаждение верхнего слоя WC/a-C с большей долей содержания DLC в покрытии методом импульсного дугового испарения (ИДИ). Были получены функционально-градиентные покрытия с протяжённой диффузионной областью. После осаждения ИДИ слоя в верхней части ЭИЛ подслоя формировался диффузионный переходный слой толщиной 1,5 мкм с более мелкой, чем у основного ЭИЛ слоя, структурой и большим содержанием вольфрама. Помимо этого, на границе раздела ЭИЛ и ИДИ слоев формировался диффузионный слой толщиной 30 нм с наноразмерной структурой (менее 5 нм), обеспечивающий адгезионную прочность сцепления слоев. Верхний слой функционально-градиентного покрытия был сформирован методом ИДИ в этилене с максимальным содержанием углерода 88 ат.%. Структура ИДИ слоя представляла собой мелкие (до 2 нм) разупорядоченные кристаллиты кубического карбида титана β-WC1-x, расположенные в аморфной углеродной матрице. Углерод находился в sp2-гибридизованном состоянии, а доля sp3 связей не превышала 25%. Двухслойные WC покрытия характеризовались постепенным увеличением твердости от 3 ГПа (подложка) до 20 ГПа (ИДИ слой). Максимальная твердость ЭИЛ слоя, на границе с ИДИ слоем, составляла 13 ГПа. Комбинация оптимизированных ЭИЛ и ИДИ слоев позволила не только дополнительно снизить коэффициент трения до 0.15, но и увеличить его долговечность (покрытие не изнашивалось на дистанции 1 км при нагрузке 10 Н). Система TiC/C Изучены процессы плазменно-активированного насыщения титана азотом и углеродом в процессе ЭИЛ и ИДИ. Для этого поверхность титана обрабатывали графитовыми электродами в различных средах. Показано, что в результате электроискровой обработки в вакууме в среде азота на поверхности подложки из титанового сплава происходит формирование сплошного слоя толщиной до 22 мкм, состоящего из смеси карбонитрида титана TiCN, α-Ti и графита. На поверхности покрытий был сформирован плотный слой толщиной до 5 мкм, обогащенный углеродом. Покрытия, нанесенные в среде азота, характеризовались относительно низким коэффициентом трения (менее 0,25). У образца без покрытия коэффициент трения составлял 0,41. Переход от искрового разряда, реализуемого при низких напряжениях, к дуговому разряду в вакууме в среде этилена при повышении напряжения до 200 В, позволил получить двухслойные покрытия TiC/C. При ЭИЛ формировалось покрытие, верхний слой которого состоял из алмазоподобного углерода (DLC), осажденного из плазмы дугового разряда, и мелких частичек карбида титана (10-100 нм). Общая толщина данного слоя составляла 10-15 мкм. Под углеродным слоем формировалось ЭИЛ покрытие, структура которого состояла из смеси микронных зерен карбида титана, избыточного титана и углерода пластинчатой морфологии. Наличие верхнего углеродного слоя обеспечило низкий коэффициент трения (< 0.2). Система TiC-NiCr-Eu2O3 Были изготовлены электроды, легированные небольшим количеством функциональных добавок (Eu2O3), обладающих низкой энергией выхода электронов, что облегчило осуществление вакуумного пробоя. С использованием электродов на основе TiC-NiCr были изготовлены образцы ЭИЛ покрытий на стали 40Х, которые в дальнейшем служили подслоями для нанесения верхнего слоя методом ИДИ. ИДИ слои, полученные в среде аргона и азота, имели поверхностные дефекты, в то время как покрытие, полученное в этилене, имело плотную и однородную структуру. Помимо этого, на поверхности покрытия, полученного в C2H4, формировался слой алмазоподобного углерода (DLC). Наилучшими механическими свойствами обладали покрытия с верхним слоем, нанесённом в среде аргона: твёрдость 30 ГПа, модуль упругости 286 ГПа. При использовании в качестве реакционного газа этилена, механические характеристики существенно снижались. Самым низким и стабильным коэффициентом трения, равным 0,23, обладало многослойное покрытие, с верхним ИДИ слоем, полученным в среде C2Н4. Были проведены коррозионно-электрохимические исследования ИДИ покрытий полученных распылением электрода TiCNiCr+Eu2O3 в аргоне, азоте и этилене. В качестве коррозионной среды использовался раствор серной кислоты. Максимальной коррозионной стойкостью обладало покрытие, осажденное в азоте.

Публикации

1. Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Сытченко А.Д., Кудряшов А.Е., Левашов Е.А., Штанский Д.В. The Effect of Eu2O3 Additive to the TiCNiCr Electrode on the Formation of Electrospark Coatings Technical Physics Letters, Vol. 44, No. 8, pp. 753–755 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S1063785018080217

2. Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Шевейко А.Н., Швындина Н.В., Левашов Е.А., Штанский Д.В. Comparative study of TiC-Ni, TiC-NiAl, and TiC-NiAl/TiC-Ni coatings produced by magnetron sputtering, electro-spark deposition, and a combined two-step process Ceramics International, Vol. 44, pp. 7637-7646 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.01.187

3. Кудряшов А.Е., Замулаева Е.И., Левашов Е.А., Манакова О.С., Петржик М.И. Применение технологии электроискрового легирования и модифицированных СВС-электродных материалов для повышения стойкости прокатных валков стана горячей прокатки. Часть 1. Особенности формирования покрытий на подложках из белого чугуна СПХН-60 Электронная обработка материалов, 54(5), 43–55 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.5281/zenodo.1464851

4. Шевейко А.Н., Купцов К.А., Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Левашов Е.А., Штанский Д.В. Применение гибридной технологии, совмещающей электроискровое легирование, катодно-дуговое испрарение и магнетронное напыление, для осаждения твердых износостойких покрытий Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия, Номер 4, с. 92-103 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2018-4-94-105

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Разработаны функционально-градиентные покрытия с повышенной эрозионной, коррозионной и абразивной стойкостью в системах (Ni,Al)-(Cr,Co), TiC-(Ni,Cr)-Dy2O3, Cr3C2-(Ni,Al), полученных комбинацией методов электроискрового легирования (ЭИЛ) и импульсного дугового испарения (ИДИ) в вакууме в различных реакционных газах, а также завершены работы по покрытиям в системах TiC-(Ni,Cr)-Eu2O3 и TiNbC. Покрытия на основе интерметаллида NiAl Была получена серия ЭИЛ покрытий, полученных обработкой электродами на основе интерметаллида NiAl, на подложках из жаропрочного никелевого сплава ЭП741нп при различных режимах обработки на воздухе, в аргоне и в вакууме. Установлено, что при обработке на воздухе доля оксидов (преимущественно, оксид алюминия) в составе покрытия достигает 50%. Покрытие имеет плотную однородную структуру с небольшим количеством поперечных трещин. Обработка в Ar при атмосферном давлении приводила к формированию покрытий с большим количеством как поперечных, так и продольных трещин. Обработка в вакууме при катодной полярности электрода и относительно большой энергии разряда (напряжение разряда 50 В, длительность импульса 50 мкс, частота 100 Гц) приводила к формированию наиболее качественных покрытий, характеризовавшихся значительной равномерностью и отсутствием прижогов. Основным недостатком ЭИЛ покрытий являлась небольшая толщина. Чтобы увеличить толщину и при этом сохранить качество покрытий, была проведена ЭИЛ обработка подложки с зафиксированным на ней монослоем сферических гранул на основе интерметаллида NiAl размером 100-160 мкм. Обработка гранульного слоя позволила существенно увеличить толщину покрытия до 40-50 мкм при минимальном количестве поверхностных трещин. Осаждение верхнего ИДИ слоя толщиной 5-7 мкм позволяло гарантированно залечивать все возможные трещины нижнего ЭИЛ слоя, ширина которых не превышала 2 мкм. Многослойные покрытия в системе NiAl-CrCx В системе NiAl-CrCx были получены как однослойные покрытия методами электроискрового легирования (ЭИЛ), импульсного дугового испарения (ИДИ) и магнетронного распыления (МР), так и многослойные покрытия, осажденные комбинацией этих методов. Была проведена оптимизация процесса осаждения ЭИЛ покрытий, установлен оптимальный (с точки зрения толщины и отсутствия прижогов) режим. Основной недостаток ЭИЛ покрытий заключался в формировании характерной сетки микротрещин. Покрытия ЭИЛ состояли из зёрен фазы Cr3C2 и твёрдого раствора Fe-(Ni,Cr). Методом ИДИ с применением электрода Cr3C2–20%NiAl были получены покрытия в различных средах (аргон, азот и этилен). Основной структурной составляющей ИДИ покрытий являлись кристаллиты карбида хрома. Покрытия, нанесённые в Ar и N2, обладали близкими значениями механических свойств (твёрдость 24-25 ГПа, модуль упругости 280-310 ГПа). Испарение в среде C2H4 привело к формированию покрытий с более низкими значениями твердости и модуля упругости за счёт формирования большого количества sp2-sp3 связанного углерода. Покрытия МР имели рентгеноаморфную структуру. Твёрдость однослойных ЭИЛ, МР и ИДИ покрытий составляла 13, 19 и 25 ГПа, соответственно. При осаждении многослойных покрытий было установлено, что нанесение верхнего слоя методами ИДИ и MР способствовало «залечиванию» трещин ЭИЛ слоя. Трибологические испытания показали, что осаждение верхнего ИДИ или МР слоя (в среде Ar и N2) не изменяло коэффициент трения ЭИЛ покрытий, в то время как при использовании в качестве реакционного газа этилена наблюдалось существенное снижение коэффициента трения за счёт формирования в верхнем слое алмазоподобного углерода, выполняющего роль твёрдой смазки. Электрохимические исследования полученных покрытий показали, что все покрытия в растворе 1N H2SO4 находятся в устойчивом пассивном состоянии. Минимальной плотностью тока коррозии (35 мкА/см2) обладало покрытие ИДИ, полученное в этилене. Напротив, двухслойное покрытие ЭИЛ-МР продемонстрировало максимальную плотность тока коррозии. Осаждение подслоя ИДИ позволило снизить плотность тока коррозии практически в 2,5 раза. Таким образом, показано, что все покрытия способны эффективно защищать сталь (4500 мкА/см2) от воздействия агрессивных сред. Покрытия в системе TiC-NiCr-(Dy2O3) Была получена серия ЭИЛ покрытий в нескольких средах: воздух, аргон и вакуум. Покрытия, полученные в вакууме на обратной полярности, обладали наименьшей шероховатостью. ЭИЛ покрытия обладали однородной морфологией и состояли из кристаллитов фазы TiC размером 20 нм, твёрдого раствора Fe-(Ni,Cr), а также Dy2O3. Дисперсные частицы Dy2O3 располагались в виде отдельных областей по краям затвердевших капель. покрытия. ИДИ покрытия, полученные с использованием электродов TiC-NiCr-(Dy2O3), обладали плотной однородной структурой, состоящей из ГЦК-фазы на основе TiC с размером кристаллитов 1-2 нм. Комбинацией методом ЭИЛ и ИДИ были получены двухслойные ИДИ/ЭИЛ покрытия. Результаты трибологических испытаний одно- и двухслойных покрытий показали, что ЭИЛ покрытие, полученное с использованием электрода TiC-NiCr-Dy2O3, характеризовалось низким коэффициент трения на уровне 0.15, в то время как двухслойное покрытие ИДИ/ЭИЛ обладало нестабильным коэффициентом трения (0.15-0.6). Электрохимические испытания однослойных и двухслойных покрытий показали, что нанесение ЭИЛ покрытия снижает плотность тока коррозии в 5 раз по сравнению с подложкой из стали 40Х. Нанесение верхнего ИДИ слоя существенно не повлияло на электрохимическое поведение ЭИЛ покрытий. Покрытия в системе TiC-NiCr-(Eu2O3) Были завершены работы по исследованию покрытий, полученных методом ЭИЛ с использованием электродов TiC-NiCr-(Eu2O3). В результате проведения высокотемпературных трибологических испытаний было установлено, что коэффициент трения (КТ) покрытий находился на уровне 0,3 до 400°С, после чего наблюдалось резкое увеличение КТ, связанное с выгоранием углерода с поверхности покрытий. Образец с добавкой Eu2O3 продемонстрировал самую низкую скорость изнашивания (0,8 × 10-8 мм3/Нм) как при комнатной, так и при повышенных температурах. Помимо этого, покрытия с добавкой Eu2O3 обладали высокой износостойкостью, стойкостью к циклическим ударно-динамическим нагрузкам и продемонстрировали высокую стойкость к адгезионному износу. Покрытия в системе TiNbC Исследования покрытий TiNbC включали в себя детальное исследование структуры двухслойных покрытий, полученных комбинацией методов ИДИ и ЭИЛ, с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Также, было исследовано трибологическое поведение ИДИ, ЭИЛ и ИДИ/ЭИЛ покрытий в коррозионной среде (3,5% раствор NaCl). Верхний ИДИ слой обладал слоистой морфологией и колонной микроструктурой, в которой ГЦК кристаллиты TiNbC, 2-5 нм в диаметре, были вытянуты на 50-100 нм в направлении роста покрытия. ЭИЛ слой состоял из ГЦК зёрен TiC (до 0,5 мкм), расположенных в эвтектической матрице Fe(Co)-Fe2(Ti,Nb). Трибологические испытания в коррозионной среде показали, что коэффициент трения ИДИ и ИДИ/ЭИЛ покрытий незначительно отличался от значений, полученных в экспериментах на воздухе. Покрытие ИДИ продемонстрировало стабильный и низкий коэффициент трения на уровне 0.11 за счёт большого количества свободного углерода. В случае двухслойного покрытия коэффициент трения составлял 0,2-0,4. Покрытие ЭИЛ характеризовалось более низким и стабильным коэффициентом трения (~0.3) в растворе NaCl, чем на воздухе, из-за отсутствия агломерированных продуктов износа на дне дорожки. Также было показано, что ИДИ слой обеспечивает существенную защиту от износа менее износостойкого ЭИЛ подслоя. Приведённый износ всех типов покрытий в коррозионной среде был выше по сравнению с экспериментами на воздухе. Электрохимические испытания покрытий TiNbC выявили, что значения плотности тока коррозии постепенно увеличивались в следующем порядке ИДИ → ИДИ/ЭИЛ → ЭИЛ с 1,1 до 2,1 мкА/см2. Близкие значения потенциалов коррозии всех испытанных образцов связаны с растворением Fe через существующие или образующиеся поры.

Публикации

1. Кирюханцев-Корнеев Ф., Сытченко А., Шевейко А., Воротыло С. Structure and Properties of Protective Coatings Deposited by Pulsed Cathodic Arc Evaporation in Ar, N2, and C2H4 Environments using the TiC–NiCr–Eu2O3 Cathode Coatings, Coatings 2019, 9, 230 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.3390/coatings9040230

2. Кудряшов А.Е., Замулаева Е.И., Левашов Е.А., Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Шевейко А.Н., Швындина Н.В. Application of Electrospark Deposition and Modified SHS Electrode Materials to Improve the Endurance of Hot Mill Rolls. Part 2. Structure and Properties of the Formed Coatings Surface Engineering and Applied Electrochemistry, Vol. 55, No. 5, pp. 502–513 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.3103/S1068375519050089

3. Кудряшов А.Е., Замулаева Е.И., Левашов Е.А., Манакова О.С., Петржик М.И. Application of Electrospark Deposition Process and Modified SHS Electrode Materials to Improve the Endurance of Hot Mill Rolls. Part 1. Features of Coating Formation on SPHN-60 White Cast Iron Substrates Surface Engineering and Applied Electrochemistry, Vol. 55, No. 4, pp. 390–401 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.3103/S1068375519040057

4. Купцов К.А., Шевейко А.Н., Замулаева Е.И., Сидоренко Д.А., Штанский Д.В. Two-layer nanocomposite WC/a-C coatings produced by a combination of pulsed arc evaporation and electro-spark deposition in vacuum Materials and design, 167 (2019) 107645 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107645

5. Шевейко А.Н., Купцов К.А., Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Левашов Е.А., Штанский Д.В. Hybrid Technology Combining Vacuum Electrospark Alloying, Cathodic Arc Evaporation, and Magnetron Sputtering for the Deposition of Hard Wear-Resistant Coatings Russian Journal of Non-Ferrous Metals, Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2019, Vol. 60, No. 5, pp. 598–607 (год публикации - 2019)

6. Кирюханцев-Корнеев Ф.В, Сытченко А.Д., Горшков В.А., Левашов Е.А. МНОГОСЛОЙНЫЕ ПОКРЫТИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАТОДА Cr3C2-NiAl ПО ГИБРИДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ MS/PCAE/ESA III Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». Москва. 19-22 ноября 2019 г./ Сборник материалов. – М: ИМЕТ РАН, Сборник материалов, с. 400-401 (год публикации - 2019)

7. Кирюханцев-Корнеев Ф.В. Hard protective coatings obtained using Cr3C2-NiAl electrode by hybrid technology combined electro-spark alloying, pulsed arc evaporation, and magnetron sputtering 10th EEIGM International Conference on Advanced Materials Research, Book of abstracts. P. 81 (год публикации - 2019)

8. Сытченко А.Д., Кирюханцев-Корнеев Ф.В. ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК Eu2O3 и Dy2O3 В ЭЛЕКТРОДНЫЙ МАТЕРИАЛ TiCNiCr НА СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ С ПОМОЩЬЮ КОМБИНИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ESA-PCAE VIII Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». Москва. 19-22 ноября 2019 г. Сборник материалов. – М: ИМЕТ РАН, Сборник материалов, c. 465-466 (год публикации - 2019)

9. Шевейко А.Н., Купцов К.А., Кудряшов А.Е., Штанский Д.В. FORMATION OF TiC/C LAYER ON Ti ALLOYS BY A SIMULTANEOUS ELECTRO-SPARK AND ARC EVAPORATION TREATMENT WITH GRAPHITE ELECTRODE XV International Symposium on Self-Propagating High-Temperature Synthesis, Book of abstracts, p. 434 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.24411/9999-0014A-2019-10158

10. Штанский Д.В. SHS IN SURFACE ENGINEERING XV International Symposium on Self-Propagating High-Temperature Synthesis, Book of abstracts, pp. 440-442 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.24411/9999-0014A-2019-10161

Возможность практического использования результатов
Учитывая, что свойства поверхности во многом определяют механическую прочность, износостойкость, жаростойкость и коррозионную стойкость всего изделия в целом, решением многих практических задач является нанесение защитных покрытий. Можно привести несколько примеров, где нанесение относительно толстого многослойного покрытия может оказаться наиболее перспективным. - Детали различных центробежных насосов по перекачки жидкостей, от морской воды, до обводненной и загрязненной песком нефти. В пределах одной детали, насосного колеса, можно выделить сразу несколько поверхностей, требующих различных методов упрочнения. Шейки подшипников и полоски скольжения сальниковых или лабиринтных уплотнений требуют нанесения твердого износостойкого покрытия, обладающего и высокой коррозионной стойкостью. Лопасти рабочего колеса должны обладать стойкостью к кавитации, коррозионной стойкостью и низкой смачиваемостью. Предложенная технология позволяет наносить различные типы защитного покрытия на необходимые участки детали, используя единый комплект оборудования. Например, защитные покрытия на основе композиции TiC-Cr-Ni могут успешно защитить поверхность детали из высокопрочной углеродистой стали. Нанесение финишного покрытия на основе аморфного углерода успешно решает задачи коррозионной стойкости и смачиваемости на лопастях рабочего колеса. - Вал паровой или газовой турбины имеет несколько поверхностей, требующих различных подходов к упрочнению. Как и в предыдущем примере, защита сальниковых уплотнений успешно решается нанесением поясков твердых покрытий с низким коэффициентом трения, например в системе Ti-Nb-C. Защита замкового соединения вала с лопатками турбины от фреттинг-коррозии требует иного состава покрытия, наоборот, обладающего высоким коэффициентом трения при высокой твердости и коррозионной стойкости. Защита передних кромок лопаток турбины требует эффективных технологий нанесения покрытий на большие площади, чему соответствуют разработанные ионно-плазменные технологии и новые составы покрытий. - Торцевые уплотнения и лопатки турбины турбонасосного аппарата ракетного двигателя являются наиболее нагруженными деталями во всем машиностроении. Работа деталей при высоких давлениях в окислительной среде, при большом перепаде температур, предъявляют максимальные требования к используемым материалам. Для защиты ряда поверхностей могут успешно применяться разработанные нами покрытия, совмещающие высокую адгезию к подложке, большую толщину и низкий коэффициент трения. - В авиации детали многих подвижных соединений изготовлены из высокопрочных титановых сплавов. В условиях вибраций и взаимного перемещения они склонны к схватыванию и щелевой коррозии. Проведенные ранее на ОАО ПКО «Теплообменник» испытания показали перспективность использования ЭИЛ покрытий, нанесенных на локальные области изделий. Приведенные примеры показывают перспективность защиты не всей конструкции или детали, а только ее локальных участков. Во многих применениях детали с покрытием требуют дополнительной обработки или приработки в сопрягаемой паре, что требует запаса толщины покрытия и низкого коэффициента трения финишного слоя. Разработанный широкий спектр покрытий позволяет выбрать оптимальный вариант применения для различных условий работы детали и изделия. Также зарегистрировано ноу-хау на «Способ нанесения покрытий, объединяющий импульсную электроискровую обработку и импульсное дуговое испарение». На базе данного ноу-хау подготовлена и подана заявка на патент на изобретение «Способ карбидизации поверхностей металлов». Заявка в настоящее время находится на рассмотрении.