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

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 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

Руководитель Купцов Константин Александрович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №50 - Конкурс 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 слова Инженерия 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.1016/j.apsusc.2021.150722

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. 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)

5. 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)
10.1016/j.matlet.2022.132195

6. 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)
10.1016/j.ceramint.2021.12.311

7. Купцов К.А., Антонюк М.Н., Шевейко А.Н., Бондарев А.В., Игнатов С.Г., Слукин П.В., Двиведи П., Фрайле А., Полкар Т., Штанский Д.В. High-entropy Fe-Cr-Ni-Co-(Cu) coatings produced by vacuum electro-spark deposition for marine and coastal applications Surface and Coatings Technology, 129136 (год публикации - 2022)
10.1016/j.surfcoat.2022.129136

8. Купцов К.А., Антонюк М.Н., Шевейко А.Н., Бондарев А.В., Штанский Д.В. Influence of TiC Addition on Corrosion and Tribocorrosion Resistance of Cr2Ti-NiAl Electrospark Coatings Coatings, Coatings 2023, 13, 469 (год публикации - 2023)
10.3390/coatings13020469

9. Купцов К.А., Антонюк М.Н., Шевейко А.Н., Штанский Д.В. Hydrophobic, anti-ice, wear- and corrosion-resistant C-(Ti)-PTFE coatings on Ti obtained by electrospark deposition using PTFE-impregnated graphite electrode Surface and Coatings Technology, Surface & Coatings Technology 465 (2023) 129621 (год публикации - 2023)
10.1016/j.surfcoat.2023.129621

Публикации