Учёные Университета МИСИС предложили новую технологию, защищающую от износа сплавы, используемые в авиации, энергетике, машиностроении. Способ позволяет за считанные минуты наносить покрытия с заданными характеристиками — твёрдостью, износостойкостью и пластичностью.
«Создание материалов с заданными свойствами и сокращение срока их разработки — ключевые задачи Университета МИСИС как ведущего вуза страны в области новых технологий и материалов. Коллектив исследователей под руководством выдающегося учёного, профессора, д.т.н. Евгения Левашова разработал технологию нанесения покрытий с антифрикционными свойствами для титан-алюминиевых сплавов. Полученное покрытие обладает высокой коррозионной стойкостью и биосовместимостью, благодаря чему найдет применение в медицине — при изготовлении эндопротезов, имплантатов и др. Также разработка наших ученых может использоваться в теплоэнергетике и химическом машиностроении: для упрочнения компонентов, подвергающихся износу в условиях высоких температур и агрессивных сред», — рассказала ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.
Лёгкие и жаропрочные титан-алюминиевые сплавы активно применяются в авиации, энергетике и медицине. Однако они обладают одним недостатком: при значительных механических нагрузках поверхность подвержена износу, что сокращает срок службы изделий. Чтобы защитить материал, не меняя его структуру, исследователи НИТУ МИСИС предложили наносить на него твёрдые покрытия с помощью коротких, но мощных электрических импульсов. Эксперты выяснили, что на характеристики значительно влияет выбор газовой среды.
«На титановый сплав с добавлением алюминия, хрома, ниобия мы нанесли электроискровым легированием цирконий. Этот метод похож на микросварку: материал электрода переносится на поверхность детали под действием коротких импульсов тока. Но от выбора газовой среды результат меняется. В аргоне получилось пластичное бездефектное покрытие на основе бета-циркония. Оно не трескается, но и не слишком защищает от износа. В этилене образовалось покрытие с карбидными наночастицами и интерметаллидом на основе циркония и алюминия. Оно твёрже, но при трении карбиды выкрашиваются и создают абразивный износ. В азоте сформировалось двухслойное покрытие с высокой твёрдостью и превосходными антифрикционными свойствами», — поделилась к.т.н. Евгения Замулаева, научный сотрудник научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза МИСИС-ИСМАН (НУЦ СВС).
Учёные объяснили особенности структурообразования электроискровых покрытий в дуге разряда: при осуществлении процесса в среде аргона плавится цирконий, который «налипает» на титан. В этилене углерод образует карбиды, а в азоте происходит двухстадийный процесс: сначала формируются крупные нитриды, а потом, когда азота в расплаве становится больше, — мелкие и плотные.
Испытания показали, что лучшие свойства демонстрирует покрытие, полученное в азоте: оно самое прочное, почти не изнашивается и обладает наиболее низким коэффициентом трения.
«Мы доказали, что возможно „программировать“ свойства покрытия ещё на этапе его нанесения, словно настраивая параметры 3D-печати. В будущем это позволит создавать умные поверхности, которые сами подстраиваются под условия работы», — рассказал д.т.н. Евгений Левашов, заведующий кафедрой порошковой металлургии и функциональных покрытий, директор НУЦ СВС.
С подробными результатами исследования можно ознакомиться в научном журнале Surface Engineering and Applied Electrochemistry. Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (проект № 0718-2020-0034).
