Сибирские учёные вдвое повысили износостойкость титана
Исследователи из Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН разработали новый композитный материал, объединив титан с частицами карбида бора. Он обладает повышенной износостойкостью, которая вдвое превосходит обычные титановые сплавы. Статья об этом опубликована в международном журнале Surfaces and Interfaces.
Композитные материалы представляют собой сочетание двух или более разнородных веществ, обладающих разными свойствами. Такие композиты сочетают в себе лучшее от каждого из компонентов, что позволяет получать изделия с повышенными физико-механическими свойствами. Благодаря этому они востребованы там, где важны высокая прочность, лёгкость и долговечность конструкций.
Один из эффективных способов получения металлокерамических композитов — армирование металлической матрицы керамическими частицами. Эта технология используется и в ИТПМ СО РАН: специалисты повысили свойства классического титанового сплава ВТ6 добавлением керамических частиц карбида бора. По сравнению с исходным сплавом ВТ6 износостойкость композитного материала увеличилась примерно вдвое, ведь карбид бора обладает рекордной твёрдостью среди известных керамик и защищает итоговое изделие от износа.
Однако важно было не только создать сам композит, но и разработать эффективный способ его нанесения, который гарантирует высокое качество готового покрытия. Для этого учёные создают опытные образцы с помощью 3D-печати металлических изделий, а роль принтера выполняет специальный лазерный комплекс. Основа установки — мощный волоконный лазер, закреплённый на подвижном роботе-манипуляторе с соплом, через которое подаётся порошок. Робот перемещается точно по заданным координатам, что обеспечивает нужную форму будущего изделия. Процесс печати выглядит так: лазер расплавляет металлическую основу из титана (подложку), из-за чего образуется небольшая зона жидкого металла (в науке для этого используют термин «ванна расплава»), куда из сопла подается порошковая смесь. Затвердевая слой за слоем, металл образует готовое изделие точно заданной формы.
Опытный образец будущего покрытия выглядит следующим образом. Материал выращивают на подложке размером около 5 × 5 см. Толщина покрытия составляет около 3 мм и больше, ширина — около 2 см, длина — примерно 5 см.
«Главная сложность при работе с керамикой — трещины. При наплавлении слоёв материал растрескивался, необратимо теряя свои уникальные свойства. Из-за таких дефектов композит становился полностью непригодным — восстановлению он уже не подлежал. Чтобы решить проблему, мы создали специальное устройство — модуль подогрева подложки. Данная модификация установки поддерживает температуру подложки вблизи 500 °C, на которую наносится материал. Благодаря этому методу скорость охлаждения слоёв заметно снижается, трещины больше не возникают. Однако прорыв даже не в том, что нам удалось получить композит без дефектов. Теперь мы можем создавать изделие при практически любом технологическом режиме установки, что позволит нам впервые варьировать свойства металлокерамического изделия во время синтеза», — рассказал младший научный сотрудник ИТПМ СО РАН Илья Герцель.
Илья Герцель и автоматизированный комплекс для лазерного аддитивного выращивания
Когда определена температура подожки, при которой получается образец без трещин, можно варьировать энергию, передаваемую с помощью лазерного излучения. Иногда случалось так, что керамика полностью растворялась в металле, превращаясь в единую массу. Иногда наоборот — оставалась отдельной частичкой и никак не смешивалась с основой. Исследователи нашли середину: теперь керамические частицы покрыты тонким слоем, благодаря которому не теряют свои свойства, но крепко соединены с основным материалом.
После того как покрытие нанесли, специалисты приступают к исследованию материала. Сначала образец шлифуется и полируется до зеркальной гладкости. Это важно, потому что нужно изучить внутреннюю структуру материала, а не поверхностные неровности. Затем проводится металлографический анализ, который позволяет рассмотреть зерно материала, твердые включения и другие особенности внутренней структуры.
Сценарии растворения керамических частиц при различных условиях синтеза: а — минимальная степень растворения; б — образование химической межфазной границы (интерфазы); в — чрезмерное растворение с фрагментацией частиц B4C
«Мы заметили тонкий промежуточный слой между титаном и керамикой на электронном микроскопе. Дело в том, что на снимке тяжёлые атомы выглядят светлыми, лёгкие — тёмными, а эта прослойка отличалась от привычных соединений, которые легко распознать визуально. Тогда мы провели специальный спектральный анализ (EDX). Результаты показали наличие большого количества титана и компонентов керамики — бора и углерода. Однако точность метода ограничена, поэтому решили воспользоваться другим способом — дифракцией синхротронного излучения. Для этого нужно взять кусочек образца, направить сквозь него узкий луч рентгена и наблюдать, как лучи, проходя сквозь материал, образуют на детекторе кольца (так называемые кольца Дебая). По результатам анализа мы определяем точную структуру вещества», — поясняет исследователь.
Эксперты сравнили экспериментальные результаты с базами данных, но поняли, что обнаруженное вещество отличается от известных соединений. Более глубокое исследование показало, что нечто похожее ранее предположил академик Геннадий Петрович Швейкин, один из основоположников научного направления «химия твёрдого тела» в России. Он считал возможным существование соединения, образованного титаном, бором и углеродом.
Поскольку созданный образец продемонстрировал отличную стойкость к механическим нагрузкам, специалисты внимательно рассмотрели его кристаллическую структуру. Дополнительно в химической базе данных нашли сходство с известным соединением, что окончательно доказало гипотезу: найденная прослойка — это особое трёхкомпонентное соединение, которое играет роль оболочки.
Новый композит перспективен для защиты многих деталей летательных аппаратов, которые испытывают трение или соприкасающихся с абразивами, такими как пыль или песок. Особенно полезен он будет в конструкциях, где требуется не только высокая износостойкость, но и низкая удельная плотность. Материал можно использовать в качестве защитного покрытия, которое продлит срок службы наиболее уязвимых частей конструкции.
«Результаты нашего исследования, как нам представляется, могут повлиять на понимание процессов синтеза металлокерамики. Наблюдение прослойки в одной из систем может свидетельствовать о её наличии и в других родственных системах. Это, в свою очередь, позволяет надеяться на продвижение в области управляемого синтеза композитов с прогнозируемыми свойствами. Сейчас наши силы направлены на верификацию полученных результатов в системах, не менее актуальных в промышленности. Как следует из полученных результатов, синхротронное излучение играет существенную роль в решении задач материаловедения. Можно предположить, что развитие соответствующих методик на станциях ЦКП СКИФ способно обеспечить не только углублённое изучение сложных химических систем, но и создать предпосылки для новых промышленных решений», — подытожил Илья Герцель.
Результаты были достигнуты в рамках совместного проекта между Минобрнауки России и СО РАН соглашения № 075-15-2025-459 по теме «Научное обоснование и создание инфраструктуры на основе использования синхротронного излучения для диагностики функционально-градиентных материалов».
Текст: Ирина Баранова.
Источник: «Наука в Сибири».
