КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 20-79-10104

НазваниеРазработка твердых гидрофобных покрытий, обладающих противообрастающим, антиледовым, и самозалечивающим эффектом, предназначенных для защиты объектов морской и прибрежной инфраструктуры от трибокоррозионного, абразивного и кавитационного износа

РуководительКупцов Константин Александрович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", г Москва

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2023 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаИнженерия поверхности; покрытия; износостойкость; коррозионная стойкость; трибокоррозия; гидрофобность; стойкость к обрастанию, антиледовость, самозалечиваемость, кавитационный износ

Код ГРНТИ55.22


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Важнейшей проблемой, с которой сталкивается промышленная инфраструктура в прибрежной зоне, является разрушение строительных конструкций, механизмов и оборудования вследствие агрессивных химических, атмосферных и температурных воздействий (соль, ветер, перепады температуры), обрастания биологическими микроорганизмами, циклов замораживания и оттаивания в условиях севера и кристаллизации соли в порах. Материалы, работающие в агрессивных условиях (при контакте с соленой или грунтовой водой, а также при повышенной влажности) подвержены одновременному влиянию нескольких химических, механических и биологических процессов: царапанию, износу, коррозии, трибокоррозии, кавитационной эрозии, микробиологической коррозии и обледенению. Согласно Государственной программы «Социально-экономического развития Арктической зоны Российской Федерации» в период 2021–2025 гг. предусматривается формирование и обеспечение функционирования опорных зон развития, создание опережающего научно-технического задела и технологий для производства перспективной техники для решения задач в области социально-экономического развития Арктической зоны и обеспечения национальной безопасности, организация производства конкурентоспособной высокотехнологичной продукции для нужд геологоразведки, добычи и переработки минерального сырья в Арктической зоне. Проект направлен на решение важной научной проблемы защиты объектов морской и прибрежной инфраструктуры от абразивного и трибокоррозионного износа, морской коррозии, кавитационной эрозии и микробиологической коррозии. Для решения этой проблемы в рамках проекта будут разработаны многокомпонентные и функционально-градиентные покрытия, обладающие комбинацией следующих характеристик: твердостью; износостойкостью; адгезионная прочностью; коррозионная стойкостью в агрессивных (соляных) средах; усталостной прочностью; стойкостью к трибокоррозии и способностью восстанавливать (самозалечивать) поврежденную поверхность; стойкостью к кавитационной эрозии; гидрофобностью; низким коэффициентом трения; стойкостью к формированию биопленки; стойкостью к обледенению. Научная новизна предполагаемого исследования состоит в научно-обоснованном конструировании новых типов защитных покрытий, обеспечивающих защиту сталей и сплавов от абразивного и трибокоррозионного износа, морской коррозии, кавитационной эрозии и микробиологической коррозии. Ранее таких комплексных задач не ставилось. Основным методом осаждения покрытий будет являться импульсное электроискровое осаждение (ИЭО). Метод ИЭО основан на явлении электрической эрозии материалов при искровом разряде и преимущественного переноса продуктов эрозии с электрода на подложку. В результате локального плавления и химического взаимодействия расплава с материалом электрода, а также последующей быстрой закалки, формируется слой c заданным составом и структурой. Последовательное многократное сканирование поверхности изделия вращающимся или вибрирующим электродом позволяет сформировать покрытие с плавным градиентом состава от материала подложки к материалу электрода. Имеются единичные работы по использованию метода ИЭО для формирования покрытий на основе интерметаллидов, однако, насколько нам известно, для осаждения покрытий на основе высокоэнтропийных и аморфных сплавов данных метод не применялся. Основное преимущество метода ИЭО состоит в его относительной дешевизне и простоте используемого оборудования (в отличие от вакуумных или лазерных технологий). ИЭО оборудование может быть легко транспортировано на морское побережье и использоваться не только для получения новых типов изделий, но и для восстановления вышедших из строя. Стоит отметить два важных преимущества метода с точки зрения постановки задачи исследования: высокая адгезия покрытия к подложке и быстрая скорость закалки (что может способствовать аморфизации при введении аморфизирующих компонентов) в результате локального плавления. ИЭО в различных атмосферах позволяет дополнительно легировать покрытия углеродом или азотом с целью формирования упрочняющих фаз на их основе. Будут получены ИЭО функционально-градиентные покрытия за счет обработки поверхности различными электродами. Финишная обработка графитовым или композиционным электродом, содержащим полимерную составляющую, позволит, в первую очередь, улучшить гидрофобные характеристики покрытий. Известно, что DLC покрытия обладают высокой инертностью. Кроме того, углеродные пленки на основе DLC, обладают высокой твердостью, химической стабильностью, низким коэффициентом трения, высокой износо- и коррозионной стойкостью. Так как метод ИЭО приводит к локальному плавлению, в результате обработки различными электродами будет получена функционально-градиентная структура с плавно изменяющейся структурой и составом от подложки к поверхности. Это позволит преодолеть известную проблему низкой адгезии DLC слоя, связанную с высокими напряжениями. Применительно к композиционным электродам, основной интерес вызывает изучение деструкции полимера в процессе ИЭО и возможности сохранения части полимерный связей. Ранее такие исследования не проводились. Для улучшения гидрофобных характеристик DLC слоя он будет дополнительно легирован функциональными элементами (например, Al, Ti, Ta, Si), введение которых направлено на снижение свободной энергии поверхности и дополнительное увеличение гидрофобности за счет уплотнения структуры, препятствующего проникновению воды и ионов. С этой целью планируется использовать метод ионной имплантации. Для придания ИЭО покрытиям самозалечивающихся и противообрастающих характеристик в их состав будет вводится Ag или Cu. Легирование покрытий будет осуществляться либо путем введение этих элементов в состав электродов, либо путем последующей ионной имплантации. Растворение серебра в морской воде может приводить к образованию нерастворимого хлорида серебра, заполняющего дефекты покрытия. Образование биопленки, состоящей их бактерий, водорослей и микроорганизмов может усугубить износ и коррозию. Выход ионов серебра и меди приведет к уничтожению микроорганизмов и будет ингибировать формирование биопленки. Применительно к ИЭО покрытиям перечисленные выше исследования ранее не проводились. На основе комплексного исследования структуры и свойств покрытий впервые будет установлена взаимосвязь процессов износа, коррозии, трибокоррозии, выхода бактерицидных ионов, самозалечивания, противообрастания и обледенения. Для изучения стойкости ИЭО покрытий к образованию биопленки впервые будут проведены биологические тесты in vitro с использованием сульфатредуцирующих бактерий и бактерий рода Bacillus, характерных для морской среды. Антиледовая способность функционально-градиентных ИЭО покрытий ранее не изучалась. Реализация проекта позволит получить новые научные знания и разработать методические и технологические подходы к получению защитных покрытий для эксплуатации в прибрежной зоне и морской воде.

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты 1 года выполнения проекта 1) На основе анализа имеющейся научной литературы и патентных источников будут определены оптимальные составы электродов на основе интерметаллидов, высокоэнтропийных и аморфных сплавов. 2) Будут изготовлены новые электроды для осаждения покрытий методом ИЭО. 3) Методом ИЭО в защитной и реакционных средах будут получены покрытия на основе интерметаллидов, аморфных и высокоэнтропийных сплавов. Будут установлены оптимальные режимы, обеспечивающие получение покрытий заданного состава, микроструктуры и морфологии. 4) На основе проведения комплексных структурных исследований будут определены основные параметры покрытий (элементный и фазовый состав, размер зерен, шероховатость поверхности). Будет установлен тип упрочняющих фаз в покрытии при проведении ИЭО в реакционных средах. 5) Методами динамического наноиндентирования, микроиндентирования, царапания (скратч-тестирования) и ударно-динамического воздействия будут определены механические свойства покрытий (твердость, модуль упругости, адгезионная и усталостная прочность). 6) Будет разработана и изготовлена специализированная ячейка к трибометру, обеспечивающая проведение электрохимических измерений непосредственно в процессе трибологических испытаний. 7) Будут определены трибологические характеристики покрытий в 3.5% растворе NaCl (коэффициент трения и скорость изнашивания). 8) Будет установлен потенциал свободной коррозии покрытий и осуществлена съемка потенциодинамических кривых в процессе электрохимических испытаний ИЭО покрытий в 3.5% растворе NaCl. 9) Получение данных о противообрастающей способности ИЭО покрытий. 10) Будут подготовлены научные публикации. Результаты исследований также будут доложены на международных конференциях. Ожидаемые результаты 2 года выполнения проекта 1) Будут изготовлены графитовые и композиционные электроды, содержащие полимерную составляющую. 2) Будут получены функционально-градиентные покрытия путем последовательной обработки стальных подложек с использованием металлических и графитовых/композиционных электродов. Будут установлены оптимальные режимы, обеспечивающие заданный элементный и фазовый состав, микроструктуру, морфологию, топографию и смачиваемость поверхности. 3) Спектроскопическими методами будет установлен состав поверхности покрытий. Будет изучен процесс деструкции полимера в процессе ИЭО. 4) Будут определены краевые углы смачивания покрытий. Будет установлено влияние дополнительной ионной имплантации верхнего углеродного (DLC) слоя на гидрофобные характеристики поверхности. 5) Будет определена стойкость покрытий к циклическим, ударно-динамическим нагрузкам. 6) По результатам электрохимических, трибологических, трибокоррозионных и кавитационных испытаний будет установлено взаимное влияние процессов трения, износа, эрозии и коррозии. 7) Будет изготовлена низкотемпературная ячейка для прибора измерения краевого угла смачивания, позволяющая изучать адгезию и кристаллизацию капель воды. 8) Будет определена водоотталкивающая способность ИЭО поверхностей и их антиледовые характеристики. 9) Получение данных о противообрастающей способности функционально-градиентных покрытий. 10) Будут подготовлены научные публикации. Результаты исследований также будут доложены на международных конференциях. Ожидаемые результаты 3 года выполнения проекта 1) Будут изготовлены Ag- и Cu-содержащие электроды. 2) Методом ИЭО будут получены Cu- и Ag-содержащие многокомпонентные покрытия. 3) Будут получены Cu- и Ag-содержащие многокомпонентные покрытия путем последовательной ИЭО и ионной имплантацией. 4) Будет установлена кинетика выхода бактерицидных ионов в среде 3.5% NaCl. 5) Будет изучена коррозионная стойкость покрытий и их ингибиторная способность в отношении ряда бактерий, характерных для морской среды. Будет установлена связь между коррозией, выходом бактерицидных компонентов и стойкостью покрытий к формированию биопленки. 6) Будут изучены процессы самозалечивания и самовосстановления поврежденных участков покрытия (царапин, сколов) за счет образования защитной антикоррозийной пленки или формирования нерастворимых соединений типа AgCl. 7) Будут разработаны методы модифицирования поверхности с целью формирования заданного рельефа, обеспечивающие повышение гидрофобности покрытий и их антиледовых свойств. 8) Будут проведены заключительные испытания лучших экспериментальных образцов. Будет определена стойкость покрытий к абразивному и трибокоррозионному износу, коррозии в соляных растворах, кавитационной эрозии, стойкости к образованию биопленки и обледенению. 9) Будут подготовлены научные публикации. Результаты исследований также будут доложены на международных конференциях. 10) Будет выполнен заключительный анализ и проведено обобщение полученных результатов. Ожидаемые результаты будут соответствовать мировому уровню. Таких комплексных задач, направленных на разработку научных принципов и технологических подходов для одновременной защиты сталей и сплавов от абразивного и трибокоррозионного износа, морской коррозии, кавитационной эрозии и микробиологической коррозии, ранее не ставилось. Полученные результаты будут иметь важное народнохозяйственное значение для защиты металлических конструкций, транспорта и оборудования в приморской зоне от агрессивных химических, атмосферных, низкотемпературных и биологических воздействий. Одним из основных методов осаждения покрытий в рамках проекта будет импульсное электроискровое осаждение (ИЭО). Основное преимущество метода состоит в его относительной дешевизне и простоте используемого оборудования (в отличие от вакуумных или лазерных технологий). ИЭО оборудование может быть легко транспортировано на морское побережье и использоваться не только для получения новых типов изделий, но и для восстановления вышедших из строя. Разрабатываемые покрытия могут найти применение для защиты морских сооружений (домкраты и опоры, трубопроводы, навесные приспособления для плавучих конструкций на платформах, натяжные опоры, швартовые линии полупогружных конструкций, и т.д.) от коррозии. Гидрофобные и антиледовые покрытия, полученные в рамках проекта, могут представлять интерес для защиты объектов морской, авиационной и космической техники, крупногабаритных металлоконструкций, электрических подстанций, антенных систем, различных радиотехнических систем и устройств от обледенения. Покрытия, обладающие повышенной стойкостью к кавитационной эрозии, могут быть востребованы для защиты материалов, используемых в гидравлическом оборудовании (морские гребные винты, лопасти гидротурбин, детали водяного насоса, центробежные клапаны и камеры, и т.д.), а также в буровых центробежных и транспортирующих насосах, применяемых в нефтяном и транспортном оборудовании, работающих на морском побережье. Высокая научная и социальная значимость инновационной разработки заключается также в подготовке кадров высшей квалификации, магистрантов и аспирантов НИТУ «МИСиС», участвующих в работах по данной тематике. По тематике проекта планируется защита кандидатской диссертации.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Важнейшей проблемой, с которой сталкивается промышленная инфраструктура в прибрежной зоне, является разрушение строительных конструкций, механизмов и оборудования вследствие агрессивных химических, атмосферных и температурных воздействий. Материалы, подверженные воздействию соленой или грунтовой воды, а также повышенной влажности, испытывают одновременное влияние износа и коррозии, что приводит к более интенсивной деградации материала. Одним из перспективных методов защиты поверхности металлических изделий от износа и коррозии является нанесение покрытий. Для создания трибо- и коррозионностойких покрытий были выбраны 3 типа материалов: - высокоэнтропийные сплавы в системе Fe-Cr-Ni-Co-(Cu), дополнительно легированные W, Ti или C. - сплавы на основе интерметаллидов (NiAl-Cr2Ti), упрочнённые карбидом титана. Было выбрано 4 состава с различным содержанием фазы TiC: (Cr2Ti)80(NiAl)20, TiC25(Cr2Ti)60(NiAl)15 , TiC50(Cr2Ti)40(NiAl)10, TiC75(Cr2Ti)20(NiAl)5. - аморфные сплавы на основе металлических стёкол в системе Fe-Cr-Mo-Co-Y-B-C. Методом электроискрового легирования в вакууме были получены покрытия на основе интерметаллидов, аморфных и высокоэнтропийных сплавов. Была получена серия покрытий на подложках из стали 30Х13: FeCrNiCo, FeCrNiCo-Cu, FeCrNiCo-Cu-W, FeCrNiCo-Cu-Ti и FeCrNiCo-Cu-C. Проведена оптимизация режимов нанесения покрытий при варьировании частоты импульсов, длительности импульса, напряжения испульсов. Оптимизация позволила получать качественные покрытия без трещин, с толщиной до 55 мкм и содержанием железа на уровне 25 ат.%. Помимо этого, была апробирована двухстадийная обработка, которая заключалась в предварительном нанесении покрытия на мощных режимах и последующей финишной обработке на менее мощном, но более высокочастотном режиме. Двухстадийный процесс позволил получать покрытия с меньшей шероховатостью, большей однородностью и меньшим количеством дефектов. Для осаждения аморфных покрытий в системе FeCrMoCoYBC было апробировано 3 различных режима ЭИЛ. Обработка велась на высокочастотных и низкоэнергетических режимах для предотвращения кристаллизации как электрода, так и самого покрытия. Таким образом, впервые были получены высокоэнтропийные и аморфные покрытия методом электроискрового легирования в вакууме. В системе с интерметаллидными сплавами была получена серия покрытий с различным содержанием TiC (0, 25, 50, 75%). Дополнительно, в качестве задела на следующий этап, были получены покрытия TiC+углерод для проведения трибокоррозионных испытаний и электрохимических эксперименов. Покрытия TiC/C осаждали на титан методом ЭИЛ в вакууме с использованием графитового электрода (МПГ). Установлено, что высокоэнтропийные покрытия обладают однофазной структурой с ГЦК решёткой, соответствующей твёрдому раствору Fe, Cr, Ni, Co и Cu. Помимо этого, структура данных покрытий характеризовалась сильной текстурой в направлении (200) вследствие направленной кристаллизации при ЭИЛ обработке. Установлено, что покрытия в системе FeCrMoCoYBC, полученные при всех режимах обработки, обладали аморфной структурой, соответствующей аморфным металлическим стёклам на основе железа. Покрытия в системе xTiC+Cr2Ti-NiAl демонстрировали многофазную структуру. Так, в покрытиях с 0 и 25% TiC наблюдалась неоднородность металлической матрицы, содержащей Cr2Ti и твёрдому раствору на основе титана. Покрытия с 50 и 75% TiC характеризовались однородной морфологией поверхности. Методом наноиндентирования были определены механические свойства покрытий в системах FeCrNiCo-(Cu) и TiC/C. Установлено, что твёрдость покрытий FeCrNiCo и FeCrNiCo-Cu составляла 4,7 и 4,4 ГПа, а модуль упругости, соответственно, 210 и 170 ГПа. Дополнительно были исследованы механические свойства покрытий TiC/C. Твёрдость покрытий измерялась на поперечном шлифе методом наноиндентирования по линии от подложки к поверхности. Были получены различные значения наборы значений твёрдости, которые соответствовали, в случае покрытий, полученных при катодной полярности электрода, графиту (0,7 ГПа), зёрнам TiC (24 ГПа), смеси фаз TiC+Ti (8.7 ГПа) и титановой подложке (3 ГПа). В покрытиях, нанесённых при анодной полярности электрода, верхний слой соответствовал TiC с твёрдостью 27,4 ГПа, за ним находился слой, состоящий из смеми фаз TiC+Ti (9.4 ГПа). Для исследования электрохимического поведения покрытий, в том числе в процессе трибологического воздействия, была изготовлена оригинальная вращающаяся электрохимическая ячейка для трибометра «CSM instruments» (Швейцария). Вся конструкция выполнена так, что в рабочем пространстве не образуется узких щелей, и отсутствуют металлические элементы, контактирующие с жидкостью, за исключением исследуемой поверхности. На специальном кронштейне смонтированы держатели для хлорид-серебряного электрода сравнения и платинового вспомогательного электрода. Определены основные трибологические (коэффициент трения и износостойкость) характеристики покрытий в 3,5% растворе NaCl и искусственной морской воде. Нагрузка при всех экспериментах составляла 5Н, дистанция 500-1000 м, линейная скорость 10 см/с, контртело – шарик из оксида алюминия. - Коэффициент трения высокоэнтропийных покрытий составлял 0,22-0,26, а приведённый износ находился в диапазоне 3,7-4,2×10-6 мм3/Нм. - Покрытия в системе FeCrMoCoYCB продемонстрировали более высокий коэффициент трения на уровне 0,3. - В системе с интерменталлидами покрытия без TiC характеризовались высоким коэффциентом трения 0,4-0,45. Введение в состав металлической матрицы карбида титана привело к снижению коэффициента трения до 0,3-0,35. - Два покрытия TiC/C, полученных при самых мощных режимах, но при различных полярностях, были исследованы в искусственной морской воде в сравнении с титаном марки ВТ1-0. Установлено, что титан характеризовался коэффициентом трения около 0,5, в то время как покрытия TiC/C, полученные при анодной и катодной полярностях, показали значения коэффициента трения на уровне 0,23 и 0,12, соответственно. Была проведена большая работа по изучению электрохимического и трибокоррозионного поведения покрытий во всех системах в сравнении с подложкой (сталь 30Х13 и титан ВТ1-0). Был определён потенциал свободной коррозии (ПСК) покрытий, погружённых в коррозионную среду, выявлено анодное поведение покрытий при навязывании потенциала, установлено падение ПСК, связанное с истиранием пассивной плёнки, при трибологических испытаниях, а также зафиксирована скорость восстановления пассивной плёнки на покрытиях после завершения экспериментов. Помимо этого, методами СЭМ и ЭДС была изучена поверхность покрытий после электрохимических и Покрытие FeCrNiCo продемонстрировало превосходные коррозионные свойства, потенцииал коррозии составил +50 мВ, а плотность тока коррозии 63 нА/см2, что в 8 раз меньше, чем у стальной подложки. После испытаний на поверхности стальной подложки наблюдались локальные коррозионные повреждения в виде питтинговой коррозии, в то время как на поверхности покрытия FeCrNiCo обнаружены единичные дефекты. Легирование покрытий медью несколько ухудшало коррозионную стойкость покрытий. Потенциал свободной коррозии покрытий TiC/C, полученных при катодной и анодной поляризации, а также титановой подложки составил +300, +400 и +200 мВ, соответственно. При трении титан характеризовался резким падением потенциала до -600 мВ. Покрытия продемонстрировали значительно меньшее падение потенциала до 0 мВ (анодная полярность) и +100 мВ (катодная полярность). При анодной поляризации анодный ток покрытий TiC/C был связан не с растворением титана, а с реакцией разложения воды из-за наличия углеродного слоя на поверхности покрытий. Была проведена оценка антибактериальной активности покрытий FeCrNiCo-(Cu) в искусственной морской воде, содержащей бактерии e.coli и bacillus cereus F. После выдержки в течение 20 суток поверхность была исследована методом СЭМ на наличие коррозионных повреждений и определено количество бактерий на единицу площади. Сравнение покрытий FeCrNiCo и FeCrNiCo-Cu показало, что количество бактерий на поверхности покрытия, легированного медью, в 50-70 раз меньше, чем на нелегированном покрытии. Дополнительно было изучено антибактериальное действие пластин с покрытиями FeCrNiCo и FeCrNiCo-Cu на штамм Bacillus cereus F. Концентрация клеток в каждой ячейка составляла порядка 108 КОЕ/мл. Высевы из образца с контрольной пластиной (подложкой) показали последовательное снижение численности КОЕ на 5 порядков через 6 и 24 ч. Высевы из образцов покрытий FeCrNiCo показали снижение численности КОЕ на 3 порядка через 6 и 24 ч. Высев из образцов покрытий с медью показали снижение численности КОЕ на 3 порядка через 6 ч инкубирования и падение до нуля через 24 ч.

 

Публикации

1. Антонюк М.Н. Электроискровые покрытия Fe-Co-Cr-Ni-Cu для защиты стали от трибокоррозионного износа в морской воде М.: МАКС Пресс, Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2021» (год публикации - 2021).

2. Антонюк М.Н. , Купцов К.А., Шевейко А.Н., Штанский Д.В. Коррозионные и трибологические свойства покрытий Fe-Co-Cr-Ni-Cu в морской воде НИЯУ МИФИ, Москва, VII международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛапЛаз-2021,Сборник научных трудов, с. 173-174 (год публикации - 2021).

3. Купцов К.А., Шевейко А.Н., Сидоренко Д.А., Штанский Д.В. Гибридная технология формирования покрытий TiC/C на титане для защиты от трибокоррозии НИЯУ МИФИ, Москва, VII международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛапЛаз-2021, Сборник научных трудов, с. 245-246 (год публикации - 2021).

4. Купцов К.А., Шевейко А.Н., Сидоренко Д.А., Штанский Д.В. Electro-spark deposition in vacuum using graphite electrode at different electrode polarities: peculiarities of microstructure, electrochemical and tribological properties Applied Surface Science, Volume 566, 15 November 2021, 150722 (год публикации - 2021).


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Были завершены работы по высокоэнтропийным покрытиями в системе FeCrNiCo-Cu. Была детально изучена структура покрытий, легированных медью, методом просвечивающей электронной микроскопии. Показано, что покрытие имеет столбчатую структуру с включениями оксидных наночастиц размером 30-50 нм. В столбчатых зёрнах диаметром до 300 нм обнаруживаются столбчатые субзерна диаметром 10-50 нм с максимальным углом разориентировки 2,5°. Металлическая матрица покрытия имеет ГЦК структуру. Оксидные частицы состоят из смеси субзерен на основе оксида кремния с высокотемпературной модификацией (тридимит) и смешанного оксид титана и хрома ( ромбический (Cr,Ti)2O3). Были проведены коррозионные испытания покрытий в сравнении со стальной подложкой в реальных условиях в Чёрном море в течение 21 дня. На поверхности покрытий, в отличие от стальной подложки, признаков коррозии не обнаружено. Была оценена антибактериальная активность покрытий FeCrNiCo-(Cu) в отношении двух типов грамположительных штаммов Bacillus B. cereus Arc30 и Bacillus B. cereus F в искусственной морской воде. Результаты показывают, что добавление меди оказывает положительное влияние на антибактериальную активность покрытий FeCrNiCo. По результатам работ в системе FeCrNiCo-Cu подана статья в журнал Applied Surface Science (Q1): High-entropy Fe-Cr-Ni-Co and Fe-Cr-Ni-Co-Cu coatings produced by electro-spark deposition in vacuum Были завершены работы по нанесению и исследованию покрытий TiCx+Cr2Ti-NiAl, x=0,25,50,75%. Была проведена оптимизация режимов нанесения, изготовлены новые электроды. Покрытия представляли собой металлическую матрицу на основе твёрдого раствора железа Fe(Cr,Ti,Ni,Al) с частицами карбидов размером от 200 до 500 нм. В покрытиях без карбидной фазы в металлической матрице присутствовали интерметаллидные включения. Толщина покрытий увеличивалась от 38 до 48 мкм с увеличением доли карбидов. Были измерены механические свойства покрытий. Показано, что максимальной твёрдостью обладало покрытие 0TiC. Были проведены трибокоррозионные и электрохимические исследования покрытий в искусственной морской воде. Установлено, что лучшей коррозионной и трибокоррозионной стойкостью обладало покрытие 75TiC. Помимо этого, была оценена стойкость покрытий к циклическим ударно-динамическим нагрузкам как на воздухе, так и в морской воде. Наибольшей усталостной прочностью обладало покрытие с 75TiC. Дополнительно подход создания покрытий с архитектурой «твёрдые карбидные частицы - интерметаллидная матрица» был апробирован на системе Cr3C2–NiAl. покрытие показало превосходные коррозионные и трибокоррозионные свойства как в 3,5%NaCl, так и в 1Н H2SO4. По результатам данной работы опубликована статья в журнале Ceramics international (Q1): Ph.V. Kiryukhantsev-Korneev, A.D. Sytchenko, V.A. Gorshkov, P.A. Loginov, A.N. Sheveyko, A.V. Nozhkina, E.A. Levashov / Complex study of protective Cr3C2–NiAl coatings deposited by vacuum electro-spark alloying, pulsed cathodic arc evaporation, magnetron sputtering, and hybrid technology // Ceramics International V. 48 (2022) P. 10921-10931. В системе Fe48Cr15Mo14C15B6Y2 был проведён сравнительный анализ формирования аморфных покрытий на основе железа при нанесении в вакууме и в аргоне при атмосферном давлении. Для этого изучались как сами покрытия, так и единичные электроискровые капли, что позволило сформировать теорию повышения смачиваемости обрабатываемой поверхности в вакууме. Помимо этого, проведены коррозионные и трибокоррозионные эксперименты в искусственной морской воде, изучены механические свойства покрытий. По результатам работ по аморфным сплавам на основе железа опубликована статья в журнале Materials letters (Q1): A.N. Sheveyko, K.A. Kuptsov, M.N. Antonyuk, A.I. Bazlov, D.V. Shtansky / Electro-spark deposition of amorphous Fe-based coatings in vacuum and in argon controlled by surface wettability // Materials Letters V. 318 (2022) P. 1-4. Были изготовлены композитные графитовые электроды пропитанные суспензией ПТФЭ. На титановых подложках получена серия покрытий при анодной и катодной полярностях двух типов электродов: графит и графит+ПТФЭ. Детально изучена структура покрытий методами СЭМ, ЭДС, РФА, РФЭС и Рамановская спектроскопия. Показано, что в определённых режимах нанесения происходит перенос полимерной составляющей в состав покрытия, наблюдается деструкция, но с частичным сохранением связей -CF2. Помимо этого была реализована двухстадийная ЭИЛ обработка: 1. обработка стальной подложки высокойнтропийным электродом с образованием покрытия FeCrNoCi с последующей его обработкой электродом графит+ПТФЭ. Данный подход позволил создать на поверхности покрытия FeCrNoCi упрочняющий слой на основе карбида хрома с верхним слоем графита с включениями ПТФЭ, что положительно сказалось на трибологических и гидрофобных свойствах покрытий. Для исследования смачиваемости поверхности и исследования особенностей кристаллизации и адгезии замерзших капель была изготовлена низкотемпературная ячейка к прибору измерения краевого угла смачивания САМ-101, позволяющая контролировать температуру поверхности покрытия до -5°С. Были изучены антиобледенительные свойства покрытий, полученных гафитовыми электродами с пропиткой ПТФЭ и без пропитки. Были измерены краевые углы смачивания капель на поверхностях этих покрытий при температуре подложки -5°С, определена скорость замерзания капли и адгезия капель воды к данным поверхностям. Показано, что покрытия обладают высокой гидрофобностью, а введение фторопласта позволило создать сверхгидрофобные поверхности с краевым углом смачивания на уровне 130°С. Адгезия капель воды на таких поверхностях не превышала 0,4 МПа, в то время как на поверхности покрытий, полученных при анодной полярности графитового электрода, измеренное значение напряжения на отрыв составляло 1,2 МПа, что соответствовало пределу льда на растяжение, т.е. разрушение шло не по границе раздела капля/поверхность, а по самой капле. Помимо этого, показано, что модификация графитового слоя ионной имплантацией титаном не привела к увеличению гидрофобности за счёт формирования полярных связей на поверхности из-за образования карбидов титана, что приводило к уменьшению краевого угла смачивания до 84° с 93°.

 

Публикации

1. - Ученые нашли способ защитить сталь от враждебной среды РИА Новости, - (год публикации - ).

2. - Ученые нашли способ защитить сталь от враждебной среды РНФ, - (год публикации - ).

3. Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Сытченко А.Д., Горшков В.А., Логинов П.А., Шевейко А.Н., Ножкина А.В., Левашов Е.А. Complex study of protective Cr3C2–NiAl coatings deposited by vacuum electro-spark alloying, pulsed cathodic arc evaporation, magnetron sputtering, and hybrid technology Ceramics International, Vol. 48 (2022) 10921–10931 (год публикации - 2022).

4. Шевейко А.Н., Купцов К.А., Антонюк М.Н., Базлов А.И., Штанский Д.В. Electro-spark deposition of amorphous Fe-based coatings in vacuum and in argon controlled by surface wettability Materials Letters, Vol. 318 (2022) 132195 (год публикации - 2022).