Ученые Института физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН предложили способ повышения трещиностойкости и прочности покрытий титановых сплавов путем их легирования танталом.

Титан и его сплавы, обладающие высокой удельной прочностью, низкой теплопроводностью, коррозионной стойкостью и биосовместимостью, во все больших масштабах используются в аэрокосмической отрасли, судо- и машиностроении, энергетике, химической промышленности, медицине и в других областях. Однако известно, что изделия из титана обладают низкой износостойкостью, когда им приходится работать в условиях интенсивного трения с другими материалами. Для устранения этого недостатка применяют специальные покрытия.

Среди них особое внимание материаловедов привлекают покрытия из сплава титана, алюминия и азота, обладающие высокой твердостью, износостойкостью и стойкостью к окислению. Еще более высокими механическими характеристиками и стойкостью к износу обладают сплавы Ti-Al-N, легированные другими элементами, например – танталом (Та). Однако увеличение содержания Та в покрытии Ti-Al-Ta-N сопровождается противоречивыми тенденциями: увеличением трещиностойкости с одновременным снижением твердости поверхности, что приводит к уменьшению износостойкости.

Поперечные разрезы покрытий Ti-Al-Ta-N при разных соотношениях компонентов: (a) Ti_0.45Al_0.55N; (b) Ti_0.41Al_0.49Ta_0.10N; (c) Ti_0.37Al_0.43Ta_0.20N; (d) Ti_0.31Al_0.34Ta_0.35N; (e) Ti_0.27Al_0.28Ta_0.45N; (f) Ti_0.20Al_0.15Ta_0.65N.

Сотрудники Лаборатории физики поверхностных явлений ИФПМ СО РАН исследовали влияние содержания Ta на структуру и механические свойства покрытий Ti-Al-Ta-N. Установлено, что увеличение содержания Ta до 65 % приводит к снижению твердости и прочности поверхности. Однако при содержании Та 35 % вследствие внедрения его атомов в решетку Ti-Al-N происходит рост остаточных сжимающих напряжений в покрытиях, что обусловливает локальный максимум твердости покрытия при данной концентрации тантала. При более высоком содержании Ta имеет место изменение текстуры покрытий, которое способствует снижению напряжений и уменьшению твердости. Таким образом, максимальные значения трещиностойкости и прочности у покрытия Ti-Al-Ta-N наблюдается при содержании тантала 35 %.

Подробнее см. Effect of Ta Content on Scratching Behavior of Ti-Al-Ta-N Coatings on Titanium Substrate. Shugurov A., Kuzminov E. Metals 2022, 12, 1017.

Редакция сайта РАН