Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В результате моделирования методом конечных элементов (МКЭ) были рассчитаны температурные поля в системе "индуктор – титановая мишень – изделие" в зависимости от тока индуктора и продолжительности выдержки при индукционно-термическом вакуумном распылении (ИТВР) с последующей конденсацией из паровой фазы. Определены условия, при которых титановая мишень нагревалась до температуры испарения в вакууме [1]. Экспериментально установлено, что в результате ИТВР при токе индуктора I = 3.2–3.8 кА, потребляемой электрической мощности P = 0.78–0.96 кВт и выдержке t = 300–900 с на поверхности образцов стальных X82WMoCrV6-5-4 пластин возрастало содержание титана C[Ti] = 43–51 ат.% и углерода C[C] = 42–46 ат.%. Согласно уточняющим данным РФА полученный слой на поверхности стальных образцов представлял собой титаносодержащее карбидное покрытие, в составе которого основной фазой являлся карбид титана (TiC). Для интегральной оценки морфологической гетерогенности поверхности использовался параметр MHS, который учитывал плотность распределения основных структурных составляющих (зерен и пор) по поверхности образцов. Было установлено, что при ИТВР формировались как твердые H = 16.42–36.82 ГПа, так и сверхтвердые H = 59.30–60.55 ГПа титаносодержащие карбидные покрытия. Последний тип покрытий формировался при умеренном и высоком значении потребляемой электрической мощности P = 0.85–0.96 кВт и средней выдержке t = 600 с. Данные значения твердости соответствовали умеренной степени параметра MHS = 33–35 %. Таким образом, титаносодержащие карбидные покрытия, полученные новым методом ИТВР, могут быть использованы в условиях воздействия высокого уровня сосредоточенных и распределенных нагрузок. Путем моделирования МКЭ также были рассчитаны температурные поля в системе "индуктор – танталовая мишень – изделие из титана" в зависимости от тока индуктора и времени выдержки при ИТВР [2]. Определены условия нагрева танталовой мишени до температуры испарения в вакууме. Экспериментально установлено, что после ИТВР при токе индуктора от 4,9 до 6,7 кА, потребляемой электрической мощности P = 1,67–3,32 кВт и времени воздействия t = 30–300 с увеличивается содержание тантала C[Ta] = 21,6–42,1 ат.%, кислорода C[O] = 16,5–43,5 ат.% и азота C[N] = 2,6–9,4 ат.% на поверхности образцов титана. По данным РФА образующаяся тонкослойная структура на образцах титана в основном представлена следующими кристаллическими фазами: оксидами тантала (Ta2O5, Ta2O), оксинитридом и нитридом тантала (TaON, TaN), оксидами титана (TiO2, TiO) и металлической альфа-фазой (Ta, Ti). Установлено, что в процессе ИТВР на поверхности титановых образцов были получены твердые H = 18,85–39,17 ГПа и сверхтвердые H = 46,18–89,88 ГПа танталсодержащие покрытия. Наибольшие значения сопротивления пластической деформации (на 50–70%) и износостойкости образцов титана с танталсодержащими покрытиями наблюдалось при кратковременной выдержке t < 60 с процесса ИТВР. Ссылки на статьи Q1: [1] V. Koshuro, M. Fomina, A. Fomin, High-hardness carbide coatings and their production on X82WMoCrV6-5-4 steel using induction physical vapor deposition, Composite Structures, Volume 281, 2022, 115045, https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.115045. [2] V. Koshuro, M. Fomina, A. Zakharevich, A. Fomin, Superhard Ta–O–N coatings produced on titanium using induction physical vapor deposition, Ceramics International, 2022, https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.03.251. Ссылки в СМИ (основные): [3] РНФ "В России разработали метод, в разы увеличивающий твердость металлических изделий" (04.02.2022), https://www.rscf.ru/news/presidential-program/tverdost-metallicheskikh-izdeliy/. [4] ТАСС "В России разработали метод, в разы увеличивающий твердость металлических изделий" (04.02.2022), https://nauka.tass.ru/nauka/13618337 [5] Портал РАН "Новый метод нанесения защитных покрытий в разы увеличил твердость металлических изделий" (04.02.2022), http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=414a8f05-ab3d-4a94-b277-a0145765b3e2 [6] Информационное агентство «Научная Россия» "Новый метод нанесения защитных покрытий в разы увеличил твердость металлических изделий" (04.02.2022), https://scientificrussia.ru/articles/novyj-metod-nanesenia-zasitnyh-pokrytij-v-razy-uvelicil-tverdost-metalliceskih-izdelij [7] InScience "Новый метод нанесения защитных покрытий увеличил твердость металлических покрытий" (04.02.2022), https://inscience.news/ru/article/russian-science/8852 [8] Indicator "Ученые разработали сверхтвердые покрытия для металлических изделий" (04.02.2022), https://indicator.ru/chemistry-and-materials/uchenye-razrabotali-sverkhtverdye-pokrytiya-dlya-metallicheskikh-izdelii-04-02-2022.htm

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В результате интенсивного нагрева ТВЧ (при индукционно-термическом вакуумном распылении, ИТВР) танталовой мишени в вакууме происходили ее распыление и последующая конденсация на функциональных поверхностях титановых образцов. В результате ИТВР полученная тонкослойная структура Ta–O–N на образцах титана в основном была представлена фазами оксидов тантала (Ta2O5, Ta2O), оксинитрида/нитрида тантала (TaON, TaN), оксидов титана (TiO2 , TiO) и металлическими фазами (α-Ta, α-Ti). Равномерная структура (без дефектов) формировалась при малой выдержке (t < 60 с). Рост зерен покрытий главным образом определялся величиной рабочего тока IO. При малой и умеренной величине IO = 500–600 A зерна в покрытии имели наименьшую величину, что соответствовало стадии начала интенсивного роста. Увеличение длительности выдержки до t = 180–300 с способствовало укрупнению зерен и углублений в виде пор. Таким образом, сформированные танталосодержащие покрытия обладали однородной микроструктурой, состоящей из наноразмерных зерн и углублений, при непродолжительной выдержке t = 30–60 с и, практически, во всем диапазоне изменения рабочего тока. Исследование микротвердости титановых образцов с танталсодержащими покрытиями при нагрузке 50 гс позволило установить влияние упрочненного слоя и нанесенного танталсодержащего покрытия. Наибольшая микротвердость составила 29,80–37,99 ГПа при максимальной выдержке t = 300 с, а при рабочем токе 650 A наблюдался максимум микротвердости около 48,34±8,79 ГПа. Комбинация высокой микротвердости и однородной микроструктуры поверхности обеспечивали высокую износостойкость. Изучено также изменение содержания кислорода, титана и тантала в образцах с различной толщиной композиционной структуры подслоя оксида тантала и танталового покрытия, полученных методом магнетронного распыления. С ростом толщины покрытия танталового покрытия происходило уменьшение содержания кислорода и титана. Доля тантала в покрытии увеличивалась с 12,47 до 87,31 ат.%. Концентрация кислорода уменьшилась в 4,5 раза при осаждении 400 нм тантала на подслой оксида тантала, а концентрация тантала увеличилась в 6,6 раза. Осаждение пленки тантала на оксидный подслой приводило к росту среднего размера агломератов покрытия со 190 до 240 нм. Гетерогенная структура покрытия, а именно наличие пор, микронеровностей и оксидной фазы Ta2O, обусловила получение композиционной структуры с бимодальным распределением твердости. Причиной повышенной твердости являлось наличие оксидной фазы Ta2O в структуре пленки. Разработаны общие рекомендации по формированию сверхтвердых покрытий на титановых конструкциях: 1. Сверхтвердые оксидные покрытия на техническом титане. Состав покрытий представлен рутилом (TiO2), структура – подслой с твердостью H = 52–65 ГПа. Рекомендуемые режимы индукционно-термической обработки (ИТО): температура T = 1200-1250 °C, выдержка t = 3-5 с, ток индуктора I = 3,2-3,3 кA и удельная мощность Pw = 195-200 Вт/г. Покрытия являются биосовместимыми. 2. Сверхтвердые оксидные покрытия на цирконии. Состав покрытий представлен смесью бадделеита (α-ZrO2) и кубической модификации диоксида циркония (γ-ZrO2). Твердость достигает H = 25,76–44,56. Режимы ИТО: T = 800-850 °C, t = 300 с. Покрытие является биоинертным. 3. Сверхтвердые оксидные покрытия на техническом тантале (PVD пленка). Состав данных покрытий включает кислородно-насыщенный слой и пентаоксид тантала (Ta2O5). Твердость достигает H = 39,09–55,27. Режимы ИТО: T = 850-1050 °C, t = 30-120 с. 4. Сверхтвердое карбонитридное покрытие на техническом титане. Состав покрытий описывается формулой TiC0.45–0.72N0.28–0.47 при толщине 2,5–8,8 мкм. Твердость достигает H = 47,6±12,9 ГПа. Рекомендуемые режимы индукционной химико-термической обработки: T = 1200–1250 °C, t = 240 с, I = 4,1-4,5 кA и Pw = 50 Вт/г. Данные покрытия являются биосовместимыми и обладают электропроводностью. 5. Сверхтвердое карбидное покрытие на быстрорежущей инструментальной стали. Состав покрытий: TiC + Fe2-2,4C + мартенсит. Микротвердость достигает H = 59,30–60,55 ГПа. Режимы индукционно-термическое вакуумное распыление (ИТВР) титана: I = 3,5-3,8 кA, t = 600 с при низком вакууме. Покрытия обладают высокой износостойкостью. 6. Сверхтвердое танталсодержащее оксинитридное покрытие на техническом титане. В составе покрытия Ta–O–N системы содержатся оксиды тантала (Ta2O5, Ta2O), оксинитрид / нитрид тантала (TaON, TaN), оксиды титана (TiO2, TiO) и металлические фазы (α-Ta, α-Ti). Микротвердость изменяется в широком интервале H = 46,18–89,88 ГПа. Режимы ИТВР тантала: I = 4,7-5,5 кA, t не менее 60-65 с, давление p = 30±3 Па. Покрытия являются биосовместимыми и износостойкими. 7. Сверхтвердое танталсодержащее оксидное пористое покрытие на техническом титане. В составе покрытия Ti–Ta–O системы содержатся оксиды TaO, TiO2, Ta2O5 и мартенсит, при этом толщина достигает 50-70 мкм. Микротвердость изменяется в широком интервале H = 60,12±20,25 ГПа. Рекомендуемые режимы ИТО титановых образцов с покрытиями: T = 950–970 °C, t = 30 с, I = 2,6 кA и Pw = 175-180 Вт/г. Процесс формирования танталовых покрытий методом электроискрового легирования был автоматизирован (3D-печать). В комбинации с ИТО это позволило получить биосовместимые, пористые и износостойкие покрытия. Согласно предварительным данным оценки биосовместимости показано, что адгезионное взаимодействие в системе "имплантат – кость" для образцов с танталосодержащими покрытиями имеет более выраженный характер по сравнению с титановыми образцами. В тесте на "расклинивание" костного фрагмента с установленным имплантатом было выявлено, что образец с танталосодержащим покрытием остается в одной из половин костного фрагмента, а свободная часть функциональной поверхности имеет многочисленные костные фрагменты. Получены также предварительные результаты по применению нового метода ИТВР для металлизации керамических (Al2O3, AlN, BeO) подложек и модификации металлообрабатывающего инструмента сверхтвердыми и износостойкими соединениями. Молибденовые покрытия на керамике обладают низкой величиной электрического сопротивления, которое зависело как от режимов получения (рабочего тока), так и от параметров структуры, в частности толщины покрытий. Полученные покрытия обладают многослойной структурой (отдельные слои около 50-100 нм), которая обеспечивает уникальный комплекс электрофизических и физико-механических характеристик. Высокая твердость и износостойкость полученных слоев, в частности титано- и молибденсодержащих покрытий, обусловлена контролируемым насыщением газами атмосферы (O,N) приповерхностного слоя. В случае осаждения титана на быстрорежущую инструментальную сталь Р6М5 (аналог X82WMoCrV6-5-4) формировались многокомпонентные карбидные покрытия [3]. Наиболее значимые результаты опубликованы в следующих изданиях: [1]. Koshuro V., Fomina M., Zakharevich A., Fomin A., Superhard Ta–O–N coatings produced on titanium using induction physical vapor deposition // Ceramics International, 2022, Vol. 48 (13), pp. 19467-19483, https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.03.251. [2]. Shumilin A.I., Fomin A.A., Tantalum-containing coatings with superhard inclusions produced by DC-magnetron sputtering // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2023, Vol. 112, 106133, https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2023.106133. [3]. Koshuro V., Fomina M., Fomin A., High-hardness carbide coatings and their production on X82WMoCrV6-5-4 steel using induction physical vapor deposition // Composite Structures, 2022, Vol. 281, 115045. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.115045. [4]. Fomina M.A., Koshuro V.A., Fomin A.A., Superhard Ti-Ta-O coatings produced on titanium with electrospark deposited tantalum-containing layers using induction heat treatment. Available at SSRN: http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4387985. [5]. Палканов П.А., Кошуро В.А., Фомин А.А., Исследование состава, структуры и твердости титана, подвергнутого индукционному азотированию // Вопросы электротехнологии, 2022. No 4. С.19–27.