Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Согласно плану работ на 2022г. на субстратах разной природы, включающих твёрдые сплавы групп ВК, ТК, ТТК и инструментальную сталь У8Г были нанесены керамикометаллические покрытия (КМП) систем Ti-Al-Ni-N и Ti-Cr-Mo-Ni-N. Морфология покрытий обоих составов на подложках из твёрдых сплавов свидетельствует о ячеистой структуре поверхности. На стальных субстратах при наличии ячеистой структуры по гребням ячеек происходит формирование глобулярных образований Их появление может быть объяснено значительно более низкой температуропроводностью стали по сравнению с твёрдосплавными подложками. Это приводит к меньшей скорости охлаждения формирующегося покрытия на стальном субстрате и возможной реализации при этом фазового перехода «пар-расплав-кристалл» по сравнению с подложками из твёрдого сплава, где формирование покрытия связано с фазовым переходом «пар-кристалл». Появление глобул на гребнях ячеек предопределено более стеснённым теплоотводом с этих участков поверхности по сравнению с теплоотводом от боковых поверхностей ячеек. Кроме этого, на стальных подложках видны разноуровневые участки поверхности осаждённых покрытий, свидетельствующие о их макрослоистой структуре. На всех субстратах в пределах погрешности измерений составы покрытий примерно одинаковы. Согласно данным рентгеновского фазового анализа покрытий Ti-Al-Ni-N и Ti-Cr-Mo-Ni-N, уточнённым с помощью метода РФЭС, на всех субстратах их состав характеризуются наличием нитридов Ti1-xAlxN для первой системы и Ti1-xCrxN, γ-Mo2N для второй системы соответственно. В покрытиях обеих систем присутствует металлический никель, находящейся в рентгеноаморфном состоянии. Исследование субструктуры покрытий показало заметное уменьшение периода решётки нитридной фазы на основе нитрида титана, как для первого, так и второго состава покрытий на всех субстратах по сравнению со стехиометрическим составом TiN вследствие замещения атомов титана меньшими по размеру атомами алюминия и хрома. При этом она характеризуется большой величиной микродеформаций, имеющих минимальные значения для двух составов исследуемых покрытий, осаждаемых на твёрдом сплаве ВК6. Покрытия Ti-Al-Ni-N на всех субстратах имеет равноосное кристаллическое строение с размером зёрен порядка 10-30 нм, который соответствовал величине ОКР. Для покрытий Ti-Cr-Mo-Ni-N на всех используемых инструментальных материалах образуется многослойная структура с периодом модуляции ~ 50нм. Покрытия Ti-Al-Ni-N на всех используемых в качестве субстратов инструментальных материалах имели величины твёрдости (H) и модуля упругости (E), превышающие таковые для покрытий Ti-Cr-Mo-Ni-N на аналогичных подложках. При этом на стали У8Г для обоих составов покрытий значения Н и Е были ниже, чем на других субстратах. При исследовании адгезионной прочности КМП к инструментальным материалам разной природы был выявлен когезионный характер разрушения для всех исследованных композитов «покрытие-субстрат» и определены минимальные (критические) нагрузки на индентор LC1, LC3, соответствующие появлению первой трещины и частичному вскрытию подложки соответственно. Полученные результаты показывают высокую адгезионную прочность исследованных покрытий к инструментальным субстратам из твёрдых сплавов и относительно низкие её значения по отношению к стали У8Г. Эти же результаты, полученные с использованием метода измерительного царапания, могут свидетельствовать о низкой сопротивляемости исследованных покрытий на стали У8Г абразивному износу. Проведённые трибологические исследования показали, что покрытия Ti-Cr-Mo-Ni-N на разных субстратах при температуре 293К демонстрировали схожие коэффициенты трения порядка 0,5, характеризуясь при этом разной интенсивностью изнашивания, имеющей существенно большую величину для образцов на стальной подложке. Это можно связать с их худшими характеристиками твёрдости и адгезионной прочности. КМП Ti-Al-Ni-N, нанесенные на твердые сплавы ВК6, Т15К6, ТТ10К8Б и сталь, характеризовались коэффициентом трения 0,67; 0,69; 0,53 и 0,51 соответственно. При этом во всех случаях, кроме применения основы ТТ10К8Б, покрытие демонстрировало повышенную интенсивность изнашивания. При 793К покрытия Ti-Cr-Mo-Ni-N, нанесенные на твердые сплавы, характеризуются схожим коэффициентом трения порядка 0,54-0,59 и отсутствием лунки изнашивания и налипанием продуктов износа контртела на поверхность в дорожке трения. Покрытие, нанесенное на стальную основу, показало снижение коэффициента трения (0,47) с одновременным повышением интенсивности изнашивания, в отличие от образцов твёрдых сплавов с этим покрытием. Интенсивное разрушение покрытия на стальной подложке в этом случае, как и при комнатной температуре, может быть связано с его худшими физико-механическими характеристиками и низкой прочностью соединения с субстратом. Образующиеся при этом наноразмерные продукты изнашивания, играя роль сухой смазки при трении, могут способствовать наблюдаемому снижению коэффициента трения. При высокотемпературных трибологических испытаниях покрытий Ti-Al-Ni-N было обнаружено, что на твёрдых сплавах и стали они характеризуются схожим средним коэффициентом трения порядка 0,5-0,4. При этом покрытие на стальной подложке показало заметный износ порядка 2,6 10-5 мм3∙Н-1∙м-1, который, однако, в 3 раза ниже износа покрытия Ti-Cr-Mo-Ni-N в данных условиях, а также ниже износа того же покрытия при комнатной температуре, что свидетельствует о наличии механизма защиты данного покрытия от изнашивания при высокой температуре. Причиной повышенных трибологических характеристик Ti-Al-Ni-N может являться действие пластичной металлической фазы никеля при нагреве в качестве твердой смазки. Различие трибологического поведения двух составов покрытий, в частности, повышенные значения коэффициента трения и интенсивности изнашивания при высокой температуре для покрытия Ti-Cr-Mo-Ni-N могут быть объяснены тем, что в данном покрытии основным элементом является хром, окисление которого на воздухе при данных температурах приводит к формированию продуктов изнашивания на основе оксида Cr2O3, действующего в качестве абразива в зоне трения. Особенно это заметно в случае стальной положки, когда материал покрытия характеризуется меньшей твердостью. В процессе моделирования температурных полей, реализующихся в растущем покрытии и подложках разной природы при воздействии потока высокоэнергетических частиц при использовании метода arc-PVD для процесса осаждения покрытий, с помощью образцов-свидетелей с разными температурами плавления была определена мощность интегрального энергетического потока напыляемых ионов, пошедшая на разогрев формируемых композитов «покрытие-подложка», составившая~7,68 * 1011 Вт/м2. Расчёт температурных полей в материалах подложки и покрытия осуществлялся с использованием уравнения теплопроводности, для решения которого был применён метод компьютерного моделирования конечных объёмов. В результате расчётов были получены распределения температурных полей в композитах «подложка-покрытие Ti-Al-Ni-N» и «подложка-покрытие Ti-Cr-Mo-Ni-N» при различной толщине осажденного слоя покрытия при температурах подложки 273 и 673К, из которых видно, что теплофизические свойства субстрата оказывают существенное влияние на температурные градиенты, возникающие в объёме подложки и покрытии при его осаждении. Так, наибольшая температура на поверхности подложки и в объёме покрытий Ti-Al-Ni-N и Ti-Cr-Mo-Ni-N будет реализована в материале с меньшей температуропроводностью-стали У8Г. Подложка ВК-6 имеет наименьший градиент температур. Наличие соответствующих температурных полей в подложках и растущих покрытиях могут оказать существенное влияние на процессы структуро-и фазообразования в покрытии и на границе раздела «подложка-покрытие». Одним из возможных проявлений этого являются морфологические изменения покрытий на субстратах из стали У8Г по сравнению с субстратами из твёрдых сплавов описанные выше.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
C использованием уравнения Стони, экспериментально определенных толщин подложки и покрытия, радиусов кривизны подложек до нанесения покрытий и композита «подложка-покрытие» после осаждения были рассчитаны значения двуосных макронапряжений в покрытиях Ti-Al-Ni-N и Cr-Ti-Ni-Mo-N, осаждённых на подложках из твёрдых сплавов групп ВК, ТК, ТТК и стали У8Г. Анализ их значений показал, что на стальных подложках в них реализуются растягивающие напряжения. На твёрдых сплавах в покрытиях имеют место сжимающие напряжения. Наличие растягивающих напряжений в покрытиях Ti-Al-Ni-N и Cr-Ti-Ni-Mo-N на стальных подложках определяет значительное снижение их твёрдости. Наличием сжимающих напряжений в покрытиях на твёрдых сплавах можно объяснить их высокую адгезионную прочность к данным подложкам, значительно превышающую её значение к стали. Низкая твёрдость покрытий на стали прогнозирует их относительно невысокую сопротивляемости абразивному износу по отношению к покрытиям на твёрдом сплаве. Таким образом, макронапряжения, реализующиеся в исследованных покрытиях, через влияние на твёрдость оказывают воздействие на сопротивляемость исследованных покрытий, нанесённых на разные подложки, абразивному изнашиванию. Изучение процессов взаимной диффузии на границе раздела «подложка-покрытие» и возможности формирования концентрационных неоднородностей вблизи неё вследствие взаимных диффузионных процессов при формировании покрытий был осуществлён путём анализа в приграничной области концентраций химических элементов-маркёров, содержащихся в покрытиях и подложках. Полученные результаты свидетельствуют о наибольшем размере диффузионной зоны для двух составов покрытий на подложках из стали У8Г. Это связано, как с большей диффузионной подвижностью (коэффициентов диффузии D, определённых из литературных данных) атомов железа в фазах, содержащихся в твёрдых сплавах и элементов-маркёров покрытий в железе по сравнению с взаимной диффузионной подвижностью, используемых в качестве маркёров элементов покрытий Ti-Al-Ni-N и Ti-Cr-Mo-Ni-N и твёрдосплавных подложек, так и с более высокими температурами, развивающимися на границе раздела «покрытие-подложка» из-за сопротивления отвода тепла из зоны растущего покрытия вследствие более низкого значения температуропроводности стали по сравнению с твёрдыми сплавами. О реализации данного эффекта свидетельствуют результаты, полученные нами на этапе выполнения проекта в 2022г. Рассчитанные значения путей взаимодиффузии с учётом представленных в литературе коэффициентов диффузии элементов-маркёров при температурах, реализующихся в зоне контакта подложка-растущее покрытие в условиях наших экспериментов, показали достаточно хорошее соответствие с экспериментально определёнными величинами диффузионных зон. При этом для покрытия Ti-Al-Ni-N однозначно прослеживается связь между размером диффузионной области и величинами температуропроводности материалов используемых подложек, определяющих перегрев контактной зоны растущего покрытия и подложки. Он растёт с уменьшением значения температуропроводности от 50 ± 13нм (для сплава ВК6) до 200±50 нм (для стали У8Г). Одновременно у подложек из твёрдых сплавов возрастает и их адгезионная прочность с покрытиями обоих составов. Низкая адгезионная прочность покрытий Ti-Al-Ni-N и Ti-Cr-Mo-Ni-N со стальной подложкой, несмотря на максимальную по величине диффузионную зону, определяется, как отмечалось выше, реализацией в данном композите высоких растягивающих макронапряжений, стимулирующих формирование при нагружении трещин и разрушение покрытия по адгезионному механизму, которое может стимулироваться образованием по границе хрупких фаз на основе железа и элементов покрытий. Оценка вероятности отжига структурных дефектов, образующихся при формировании покрытий на субстратах с различными теплофизическими свойствами проведена с учётом характеристик субструктуры нитридной фазы на основе титана, определяющих, наличие в ней больших значений микродеформаций, природа которых связана с концентрационной неоднородность. При этом микродеформации имеют минимальные величины для двух составов исследуемых покрытий, осаждаемых на твёрдом сплаве ВК6, что в свою очередь определяется меньшими концентрациями растворённых в нитриде титана алюминия и хрома для покрытий Ti-Al-Ni-N и Ti-Cr-Mo-Ni-N соответственно вследствие наибольшей температуропроводностью материала данной подложки и наименьшей температуры, развивающейся в растущем на ней покрытии. Исследованные нами диффузионные процессы, происходящие на границе «подложка-покрытие», свидетельствуют о их большей вероятности в композиционной паре материала покрытия с подложкой, имеющей меньшую температуропроводность, где температуры формируемого покрытия выше. Следовательно, в покрытиях на таких подложках, микродеформации, природа которых связана с концентрационными неоднородностями, должны иметь большие значения. Это и прослеживается в результатах исследований субструктуры и диффузионных процессов на границе «подложка-покрытие». В ходе выполнения исследований работоспособности композитов «керамикометаллическое покрытие-инструментальный субстрат» для выработки рекомендаций по их применению осуществлены стойкостные испытания разработанных покрытий на режущем твердосплавном инструменте групп ВК, ТК, ТТК при фрезеровании сталей – ЭП302-Ш, Сталь 50 и 40Х13, и при токарной обработке – 09Г2С и 35ХГСА. Полученные результаты свидетельствуют о повышении стойкости твердосплавных режущих пластин ВК6 с керамикометаллическим покрытием Ti-Al-N-Ni при непрерывном резании сталей 09Г2С и 35ХГСА в 13 раз и 5,3 раза соответственно, а при прерывистом резании сталей ЭП302-Ш и Сталь 50 в 1,4 раза и 5 раз соответственно по сравнению с твердосплавными пластинами без покрытия. Режущие пластины из сплава ТТК с покрытием Ti-Al-N-Ni при непрерывном резании титанового сплава ВТ5 продемонстрировали рост стойкости по сравнению с непокрытым инструментом и с покрытием сравнения (Ti0,7,Al0,3)N т в 3,6 и 1,8 раз соответственно. Испытанные покрытия на режущем инструменте можно отнести и к классу энергосберегающих с учётом того, что силы резания при использовании твердосплавных пластин с покрытием Ti-Al-N-Ni снижаются на ~ 20% в силу меньших коэффициентов трения (µ = 0,45) , чем у твердого сплава без покрытия (µ = 0,72). Возможность использования керамикометаллических покрытий для упрочнения режущего инструмента из инструментальной стали исследовалась совместно с ООО «Гжельский з-д Электроизолятор». Испытания в ходе обточки резцом из стали У8Г типовой заготовки серийного опорного изолятора из пластичной фарфоровой массы показали повышение стойкости резца с покрытием в 3,3 раза. При этом значительно улучшалось качество обработанной поверхности по сравнению с обработкой инструментом с используемым в настоящее время гальваническим алмазным покрытием. Проведены исследования покрытий Ti-Cr-Mo-Ni-N в качестве упрочняющих на поверхности изделий из стали 20Х13, работающих в парах трения с углепластиком в условиях контакта с морской водой. Показано улучшение стойкостных свойств пары трения при использовании покрытий данной системы. Таким образом, керамикометаллические покрытия Ti-Al-N-Ni, нанесённые методом arc-PVD на различные классы режущих инструментов, могут быть рекомендованы в качестве упрочняющих материал инструмента при обработке материалов разного класса обрабатываемости. При этом они имеют универсальность за счёт возможности использования как для непрерывного, так и прерывистого резания. Покрытие Ti-Cr-Mo-Ni-N характеризуется повышенными трибокоррозионными характеристиками при нанесении на сталь 20Х13, работающей в паре трения с углепластиком УГЭТ.