Композитные покрытия повышают износостойкость титановых изделий в пять раз
Сотрудники лаборатории перспективных технологий Томского научного центра СО РАН предложили перспективный метод контролируемого образования боридов в поверхностных слоях титана в процессе электронно-лучевой обработки, который позволяет регулировать структуру и свойства покрытия.
Выявленные оптимальные параметры процесса позволяют более чем в пять раз увеличить износостойкость покрытий, востребованных при производстве медицинских изделий и для инструментальной промышленности. Полученные результаты были представлены в высокорейтинговом журнале Vacuum.
Как объясняет Евгений Яковлев, научный сотрудник лаборатории, в настоящее время существуют два подхода при создании композитных материалов, в том числе и покрытий, — ex situ, то есть получение композита путём прямого смешивания уже готовых армирующих частиц с матрицей, и in situ, когда синтез армирующих частиц происходит непосредственно в матрице. Метод in situ имеет ряд важных преимуществ.
«В их числе стоит отметить более высокую термодинамическую стабильность и межфазную связь между матрицей и армирующим наполнителем и меньшее количество дефектов, что может значительно улучшить эффект усиления в получаемом композитном покрытии. При этом зачастую при облучении электронным пучком нельзя добиться контролируемого синтеза нужных частиц боридов в титановой матрице. Новизна проделанной работы заключается в том, что такая возможность была продемонстрирована», — говорит Евгений Витальевич.
Контролируемый синтез боридов в поверхностных слоях титана можно сравнить с приготовлением лазаньи: на образец напыляются борсодержащая и боридобразующая плёнки с определённом соотношении толщин. Затем они подвергаются импульсной обработке электронным пучком, под действием которого происходит плавление плёнок и синтез боридных частиц. Далее цикл повторяется. Таким образом и получилось желанное «блюдо» — нанокомпозитные покрытия, которые состоят из титановой матрицы и армирующих частиц диборида титана.
Исследователи изучили различные режимы и выявили оптимальный вариант, когда при плотности энергии 3,5 джоуля на квадратный сантиметр образуются композитные покрытия с максимальным содержанием наночастиц TiB2 (до 100 нанометров) в титановой матрице, что обеспечивает максимальную износостойкость, увеличивая её до пяти раз. При более высоких плотностях энергии (4,5–5,5 Дж/см2) происходит чрезмерное плавление подложки и изменение соотношения титана и бора в поверхностном слое, что в 2-3 раза снижает содержание боридов и износостойкость.
Авторы планируют продолжить исследования в этом направлении, изучив влияние легирующих элементов в подложке на образование боридов, а также формирование боридов других металлов и сложных боридов.
Источник: пресс-служба Минобрнауки России.
