Теоретико-экспериментальное исследование износостойких покрытий с управляемым градиентом свойств по глубине.

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 23-49-10062

НазваниеТеоретико-экспериментальное исследование износостойких покрытий с управляемым градиентом свойств по глубине.

Руководитель Волков Сергей Сергеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" , Ростовская обл

Конкурс №73 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (БРФФИ)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-106 - Проблемы механики в проектировании новых материалов

Ключевые слова Покрытия, градиент, нитрид алюминия, нитрид титана, стехиометрия, магнетронное распыление, наноиндентирование, модуль упругости, микротвердость, коэффициент трения, износ

Код ГРНТИ30.19.57

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Механические и физические свойства материалов определяют возможность их использования в практической деятельности человека в таких отраслях как легкое и тяжелое машиностроение, энергетика, микроэлектроника, медицина и т. д. Особо важны задачи создания новых материалов с уникальными свойствами, а также раскрытия потенциала использования уже известных материалов с целью повышения износостойкости деталей и продления срока службы отдельных, в том числе и тяжелонагруженных узлов. Решение обозначенной проблемы становится все более востребованным по мере приближения к физическим пределам используемых в данный момент материалов и покрытий. Анализ отечественных и зарубежных литературных источников показал, что ранее детально не изучалось влияние градиента стехиометрического состава покрытий на их механические и трибологические характеристики. В проекте планируется заполнить этот пробел и разработать новый метод получения градиентных покрытий с контролируемым законом распределения (линейный, экспоненциальный, периодический и т.д.) стехиометрического состава по глубине покрытия. Также впервые будет определена корреляция между законом изменения состава покрытия и его механическими, микрогеометрическими и трибологическими свойствами, в том числе с учетом влияния материала подложки. В результате выполнения проекта будут получены однослойные, многослойные и градиентные покрытия AlN и TiN на подложках из кремния, инструментальной и нержавеющей сталей. Будет изучена наноструктура поверхности таких покрытий и их функциональные свойства, получены количественные характеристики трещиностойкости и теплофизических свойств, зависимости механических и трибологических свойств от типа градиента и закона изменения стехиометрических свойств по глубине покрытия. При реализации проекта будут использованы современные математические модели, эффективно описывающие эксперимент по наноиндентированию слоистых и функционально-градиентных сред. В основе математических моделей лежат приближенные аналитические решения контактных задач теории упругости неоднородных сред. Модели будут использованы при проектировании покрытий, обладающих улучшенными эксплуатационными характеристиками, а также для контроля закона изменения упругих свойств по глубине покрытия и градиента упругих свойств. Таким образом, будут получены уникальные данные о функционально-градиентных покрытиях, не имеющие аналогов в современной мировой литературе. Анализ и систематизация результатов теоретических и экспериментальных исследований послужат основой для развития модельных представлений для описания процессов формирования градиентных нитридных покрытий и их поведения при эксплуатации. Результаты, которые будут получены в ходе выполнения проекта, в силу оригинальности разработанного подхода, а также уникальности методик, использованных для локального механического, трибологического и теплофизического анализа покрытий и определения трещиностойкости, являются принципиально новыми. Полученные результаты могут быть использованы при создании новых износостойких покрытий на предприятиях машиностроительного комплекса Республики Беларусь и России, стран СНГ и дальнего зарубежья.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Николаев А.Л., Садырин Е.В., Харчевников И.О., Антипов П.Е., Лапицкая В.А., Васильев А.С., Волков С.С. Deposition and characterization of magnetron sputtered AlN coatings with variable stoichiometry Advanced Structured Materials: Advances in Linear and Nonlinear Continuum and Structural Mechanics. Springer, Nature Switzerland AG, Chapter 20. Vol. 198. Р. 357-367 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-43210-1-20

2. Зеленцов В.Б., Лапина П.А., Николаев А.Л. Grinding of functionally graded coating taking into account wear and friction heating Advanced Structured Materials: Advances in Linear and Nonlinear Continuum and Structural Mechanics. Springer, Nature Switzerland AG, Chapter 32. Vol. 198. Р. 573-590 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-43210-1-32

3. Волков С.С., Литвиненко А.Н., Алексеева А.Д. Определение смещений поверхности полупространства с покрытием при вдавливании индентора Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XVII Всерос. шк.-семинара, с. Дивноморское, 28 мая-1 июня 2023 г. – Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, С.22 (год публикации - 2023)

4. Николаев А.Л., Садырин Е.В., Лапицкая В.А. Экспериментальное определение ширины области контакта сферического индентора с поверхностью однородного материала Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XVII Всерос. шк.-семинара, с. Дивноморское, 28 мая-1 июня 2023 г. – Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, С.81 (год публикации - 2023)

5. Бардакова Р.А. Решение контактной задачи о вдавливании сферического индентора в двухслойный образец методом конечных элементов в ANSYS Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XVII Всерос. шк.-семинара, с. Дивноморское, 28 мая-1 июня 2023 г. – Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, С.9 (год публикации - 2023)

6. Колесников А.М., Анесян В.М. Прогиб круговой упругой мембраны под действием сферического штампа Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XVII Всерос. шк.-семинара, с. Дивноморское, 28 мая-1 июня 2023 г. – Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, С.52 (год публикации - 2023)

7. Колесников А.М., Берник В.С. Механические свойства полимеризированной фотополимерной смолы Anycubic Basic Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XVII Всерос. шк.-семинара, с. Дивноморское, 28 мая-1 июня 2023 г. – Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, С.53 (год публикации - 2023)

8. Николаев А.Л., Садырин Е.В., Лапицкая В.А., Волков С.С. Obtaining and research of TiN and AlN coatings with variable stoichiometry X International Scientific Conference «Actual problems of solid state physics»: Book of abstracts, 22-26 May 2023, Minsk, P.391 (год публикации - 2023)

9. Колесников А.М., Тер-Оганесян В.И. Ultimate equilibrium of a rigid cone enclosed in a hyperelastic membrane European Journal of Mechanics / A Solids, Vol.103.Article number 105177 (год публикации - 2023)
10.1016/j.euromechsol.2023.105177

10. Волков С.С., Кудиш И.И., Николаев А.Л. Контакт жестких цилиндрических тел с учетом поступления смазки с реологией Гизекуса Современные проблемы механики сплошной среды (МСС 2023): тез. докладов XXI Междунар. конф., г. Ростов-на-Дону, 11-13 октября 2023 г. – Ростов-на-Дону; Таганрог: Изд-во Южного федерального университета, С.26 (год публикации - 2023)
-

11. Колесников А.М. Раздувание криволинейной высокоэластичной трубки Современные проблемы механики сплошной среды (МСС 2023): тез. докладов XXI Междунар. конф., г. Ростов-на-Дону, 11-13 октября 2023 г. – Ростов-на-Дону; Таганрог: Изд-во Южного федерального университета, С.58 (год публикации - 2023)
-

12. Колесников А.М., Анесян В.М. Индентирование круговой высокоэластичной мембраны шаровым индентором XIII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механике, Санкт-Петербург, 21-25 августа 2023 г.: сб. тез. докл. в 4 т.. – Политех-Пресс, Т.3, С.754-755 (год публикации - 2023)
-

13. Колесников А.М. Равновесие жесткого конуса, находящегося внутри высокоэластичной трубки XIII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механике, Санкт-Петербург, 21-25 августа 2023 г.: сб. тез. докл. в 4 т.. – Политех-Пресс, Т.3, С.756-757 (год публикации - 2023)
-

14. Николаев А.Л., Хабарова А.В., Лапицкая В.А., Садырин Е.В., Айзикович С.М., Чижик А.С. Structure and properties of DC magnetron deposited TiN and AlN coatings with different stoichiometry 2023 International Conference on «Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications» (PHENMA 2023): Abstracts and Schedule (Surabaya, Indonesia, October 3–8, 2023). – Rostov-on-Don; Taganrog: Southern Federal University Press, Р.336-337 (год публикации - 2023)
-

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Были получены однослойные и многослойные покрытия TiN и AlN с использованием реактивного магнетронного распыления на постоянном токе с помощью системы VSM 100 (ROBVAC, Россия) на подготовленных кремниевых подложках. Пробоподготовка подложек из монокристаллического кремния проходила в несколько этапов для улучшения адгезии покрытия к подложке. Используя результаты совместных исследований за 2023 год и полученных выше, были напылены 4 серии многослойных образцов TiN и AlN, свойства которых значительно отличались от свойств однослойных покрытий, входящих в их состав. Отдельные слои в многослойных покрытиях наносились в разной последовательности: с увеличением концентрации азота в направлении от подложки к поверхности, с уменьшением концентрации, чередованием слоев с определенной периодичностью. Также изготовлены дополнительные серии многослойных TiN (двух-, трех- и четырехслойные с подслоем Ti и без) и AlN (трех- и четырехслойных) образцов с разной толщиной отдельных слоев, которые на момент написания отчета находятся на измерениях у белорусских коллег. Была измерена толщина всех полученных покрытий посредством изучения сколов образцов на двухлучевом сканирующем электронном/ионном микроскопе ZEISS CrossBeam 340. Установлено, что толщина покрытий в целом и отдельных слоев хорошо коррелирует со временем напыления при заданных параметрах напыления. Был определен элементный состав полученных покрытий по нескольким областям с использованием рентгеновского микроанализатора Oxford Instruments X-Max 80. Изменение соотношения Ti, Al и N в покрытиях почти линейно зависит от концентрации азота в камере при осаждении покрытий как и в случае однослойных покрытий. При напылении отдельных слоев многослойных покрытий, элементный состав последних не притерпевал существенных отклонений и хорошо соотносился с результатами 2023 года. СЭМ и атомно-силовая микроскопия показали разницу структуры и шероховатости поверхности между образцами с покрытиями AlN и TiN, которая зависит не только от стехиометрического состава отдельных слоев, но и от последовательности их расположения. Также выяснено, что увеличение толщины каждого из слоев в многослойных покрытиях AlN повышают значения шероховатости вне зависимости от типа верхнего слоя или наличия подслоя. Так у покрытий AlN с подслоем Al с ростом толщины слоя AlN шероховатость увеличивается по закону, близкому к экспоненциальному. Для трехслойных покрытий определены модуль упругости и твердость 134 ГПа и 36 ГПа (для TiN) и 36 ГПа и 0,9 ГПа (для AlN) соответственно. С увеличением нагрузки при индентировании установлен рост Е и Н от глубины у покрытия на основе AlN, а у покрытия на основе TiN Е и Н практически не изменяются. При царапании с постоянной нагрузкой коэффициент трения kтр покрытия на основе TiN находится в диапазоне 0,45 – 0,53, а для AlN – 0,57 – 0,65. Многоцикловое испытание показывает снижение kтр с увеличением количества циклов для покрытий на основе AlN (с 0,81 до 0,4) и TiN (с 0,45 до 0,18). При возрастающей нагрузке kтр на многослойном покрытии на основе TiN меняется от 0,40 до 0,60, а на AlN – с 1,2 до 0,81. Значения трещиностойкости снижаются при повышении нагрузки царапания с 8,17 до 6,95 МПа∙м1/2 у покрытия на основе TiN и с 0,52 до 0,3 МПа∙м1/2 у покрытия на основе AlN. Значения микротвердости полученные наноиндентированием (H) и наноцарапанием (Hs) близки и составляют Hs = 10,07 ГПа при H = 10,05 ГПа для покрытия на основе TiN и Hs = 1,04 ГПа при H = 0,9 ГПа для покрытия на основе AlN. Физико-механические свойства покрытий AlN с подслоем Al E и H растут с увеличением толщины каждого слоя в покрытии AlN от 200 до 400 нм, а при толщинах 600 и 800 нм значения снижаются. Для двуслойных покрытий с увеличением и уменьшением ат. % N в слоях по направлению от подложки к поверхности покрытия при увеличении толщины каждого из слоев от 200 до 400 нм наблюдается снижение E и H. Дальнейшее увеличение толщины слоев приводит к небольшому увеличению E и H для покрытий с верхним слоем Al70,3N29,7. Результаты исследований физико-механических свойств двуслойных покрытий AlN, полученные при возрастающей нагрузке показывают, что E и H выходят на стабильные значения после глубины внедрения более чем на 20 нм. При увеличении толщины слоев в двухслойных покрытиях AlN kтр увеличивается, на что влияет шероховатость поверхности. Изменение твердости верхних слоев в покрытиях способствует либо снижению kтр, либо замедлению роста kтр при толщине каждого из слоев 600 нм. Испытания с увеличением нагрузки показали, что низким kтр при нагрузках более 200 мкН обладают покрытия толщиной 200 нм (от 0,1 до 0,4). Покрытие Al70,3N29,7 толщиной слоя 400 нм хоть и имеет kтр выше, чем у покрытий с толщиной слоя 200 нм, но стабилизирует kтр при нагрузке более 700 мкН на уровне 0,5. Выполнено математическое моделирование процесса индентирования многослойных покрытий с различной композицией содержания азота по слоям. Для учета реальной пощади контакта рассматриваемая математическая модель была доработана и введены поправки на радиус закругления сферы, что позволило добиться хорошего сопоставления экспериментальных и теоретических результатов. Для построения численных значений функций податливости, а также исследуемых механических характеристик контакта (связь сила/осадка, жесткость индентирования и др.) реализованы программы для ЭВМ. Для ряда многослойных покрытий построены графики функции податливости, исследовано их поведение и построены их высокоточные аппроксимации Паде (погрешность не превышает 1%). Для многослойных покрытий был проведен анализ влияния входных параметров (толщины покрытий, приложенные нагрузки, значения характерного геометрического параметра задачи и д.р.) на механические характеристики контакта. Были разработаны и реализованы программы для расчета радиальных и нормальных смещений поверхности покрытия, вызванных вдавливанием сферического индентора. Показана сходимость численных результатов к случаю однородного тела без покрытия для больших и малых значений геометрического параметра задачи (свойств двухстороннего асимптотического метода). Проведены расчеты смещений поверхности однородных и функционально-градиентных покрытий. Исследовано влияние относительной толщины покрытия и закона изменения модуля Юнга по глубине на смещения.

Публикации

1. Васильев А.С., Волков С.С., Николаев А. Л., Айзикович С.М. Indentation of a piezoelectric FGM-coated half-space by a conical conductive punch: Approximated analytical solution International Journal of Engineering Science, International Journal of Engineering Science. – 2024. – Т. 205. – С. 104161 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijengsci.2024.104161

2. Николаев А. Л., Лапицкая В. А., Садырин Е. В., Антипов П. Е., Харчевников И. О., Волков С. С. Deposition and Characterization of Magnetron Sputtered TiN Coatings with Variable Stoichiometry Springer Proceedings in Materials, In International Conference on Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications (pp. 85-94). vol 41. Cham: Springer Nature Switzerland. (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-52239-0_9

3. Волков С.С., Айзикович С.М., Николаев А.Л., Садырин Е.В., Лапицкая В.А. Displacements of a FGM-Coated Half-Space Surface Caused by Spherical Indentation Advanced Structured Materials (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-031-75626-9_32

4. Николаев А. Л., Лапицкая В. А., Хабарова А. В., Садырин Е. В., Харчевников И. О. Influence of Temperature and Deposition Power on Microstructure and Properties of Magnetron Deposited Thin AlN Coatings 2024 International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA 2024, Indore, India, November 6-11, 2024): Abstracts and Schedule / I. A. Parinov, N. Sohani, V. K. Gupta, S.-H. Chang (Eds.); Southern Federal University – Rostov-on-Don; Taganrog: Southern Federal University Press, 2024. – 404 p., 2024 International Conference on "Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications" (PHENMA 2024), Indore, India, November 6-11, 2024, стр. 235-235 (год публикации - 2024)

5. Лапицкая В., Николаев А., Хабарава А., Садырин Е., Антипов П., Абдулвахидов К., Айзикович С., Чижик С. The Influence of Nitrogen Flow on the Stoichiometric Composition, Structure, Mechanical, and Microtribological Properties of TiN Coatings Materials, Materials. – Т. 17. – №. 1. – С. 120. (год публикации - 2023)
10.3390/ma17010120

6. Кузнецова Т.А., Лапицкая В.А., Чижик С.А., Айзикович С.М., Николаев А.Л., Садырин Е.В., Людчик А., Свэйн М.В. Evaluation of morphology, physical and mechanical properties of hyaluronic acid matrices of various molecular weights by atomic force microscopy Journal of Molecular Liquids, Journal of Molecular Liquids. – 2024. – Т. 412. – С. 125833. (год публикации - 2024)
10.1016/j.molliq.2024.125833

7. Николаев А.Л., Лапицкая В.А., Кайдашев Е.М. Сенсор угарного газа на основе наностержней ZnO, работающий при комнатной температуре сборник трудов Открытой школы-конференции стран СНГ (г. Уфа, 30 сентября – 4 октября 2024 г.) / отв. ред. А.А. Назаров. – Уфа: РИЦ УУНиТ, 2024. – 378 с, Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы: У51 сборник трудов Открытой школы-конференции стран СНГ (г. Уфа, 30 сентября – 4 октября 2024 г.) / отв. ред. А.А. Назаров. – Уфа: РИЦ УУНиТ, 2024. – 378 с; стр. 211-212. (год публикации - 2024)

8. Волков С. С., Литвиненко А. Н., Алексеева А. Д. Определение смещений поверхности полупространства с покрытием при вдавливании конического индентора Сборник Тезисов докладов XVIII Всероссийской школы,Издательство: Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И БИОМЕХАНИКА В СОВРЕМЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ Сборник Тезисов докладов XVIII Всероссийской школы. Ростов-на-Дону, 2024, стр. 16. (год публикации - 2024)

9. Николаев А. Л., Лапицкая В. А., Хабарова А. В., Садырин Е. В., Волков С. С. Механические и микротрибологические свойства TiN-покрытий с разной стехиометрией Сборник Тезисов докладов XVIII Всероссийской школы, Издательство: Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И БИОМЕХАНИКА В СОВРЕМЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ Сборник Тезисов докладов XVIII Всероссийской школы. Ростов-на-Дону, 2024, стр. 79. (год публикации - 2024)

10. Волков С.С., Николаев А.Л., Васильев А.С. Analysis of experimental data on indentation of TiN-based coatings. Fourth International Conference “Modern Problems in Modeling Materials for Mechanical, Medical and Biological Applications” (MPMM&A-2024), Abstracts of the reports, ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2024, Fourth International Conference “Modern Problems in Modeling Materials for Mechanical, Medical and Biological Applications” (MPMM&A-2024), Abstracts of the reports, стр 51 (год публикации - 2024)

11. Колесников А.М. Determinations of mechanical properties of a highly elastic material by indenting a circular membrane with a hole Fourth International Conference “Modern Problems in Modeling Materials for Mechanical, Medical and Biological Applications” (MPMM&A-2024), Abstracts of the reports, ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2024, Fourth International Conference “Modern Problems in Modeling Materials for Mechanical, Medical and Biological Applications” (MPMM&A-2024), Abstracts of the reports, стр 20-21 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Были получены градиентные покрытия TiN и AlN с использованием реактивного магнетронного распыления на постоянном токе с помощью системы VSM 100 (ROBVAC, Россия) на подготовленных кремниевых подложках, подложках из инструментальной (Р6М5) и нержавеющей(Х18Н10) сталей. Для апробации математического моделирования были получены градиентные покрытия TiN. Для этого была напылена сначала серия однослойных покрытий TiN, изучена с использованием СЭМ, ЭДРС, т.д. Затем на их основе были получены градиентные покрытия с различным гладким изменением концентрации азота по глубине покрытия. Была измерена толщина всех полученных покрытий с помощью микроскопа ZEISS CrossBeam 340. Толщина напыляемых покрытий хорошо соответствовала расчетной. Расчетная толщина была получена из средней скорости напыления, соответствующей однослойным покрытиям, условно входящим в состав градиентного. Полученный результат говорит о возможности предсказания скорости напыления градиентных покрытий исходя из скоростей напыления однослойных покрытий. с разной степенью нестехиометричности. Был определен элементный состав полученных покрытий по нескольким областям с использованием рентгеновского микроанализатора Oxford Instruments X-Max 80. Изменение соотношения Ti, Al и N по толщине покрытия также можно с высокой точностью прогнозировать и рассчитывать исходя из анализа спектров ЭДРС однослойных покрытий и скорости напыления при различном соотношении реактивной атмосферы в камере магнетронного напыления (пример такого расчета с использованием данных, полученных с помощью рентгеновского микроанализатора Oxford Instruments X-Max 80 представлен на рисунках 18 и 19). С использованием атомно-силового микроскопа Dimension FastScan была изучена морфология поверхности (поле 10×10 мкм2) подложек изнержавеющей стали марки X18H10 и из быстрорежущей стали марки P6M5 и определена шероховатости поверхности. Аналогичным образом были исследованы градиентные покрытия TiN и AlN на всех типах подложек. Исследования показали, что нет прямой зависимости между шероховатостью подложки и шероховатостью итогового градиентного покрытия. Материал подложки играет решающую роль. Были исследованы механические свойства градиентных покрытий TiN и AlN на кремниевых и стальных подложках посредством наноиндентирования на установке Hysitron 750 Ubi стандартным методом, также были проведены эксперименты с возрастающей нагрузкой от 100 мкН до10000 мкН для покрытий TiN и от 10 мкН до 1000 мкН для покрытий AlN и с многоцикловым вдавливанием индентора, которое показало схожие результаты с индентированием с возрастающей нагрузкой. Были также изготовлены и исследованы поперечные шлифы полученных образцов покрытий. Были проведены трибологические исследования градиентных покрытий TiN и AlN на кремниевых и стальных подложках с использованием scratch-тестирования с постоянной и возрастающей нагрузкой при помощи трибоиндентора в составе установки Hysitron 750 Ubi. Совместно с белорусской стороной была исследована трещиностойкость градиентных покрытий. Она была охарактеризована вязкостью разрушения и твердостью царапания, полученными с использованием результатов скретч-тестирования при постоянных нагрузках. Получена связь между трещиностойкостью и физико-механическими свойствами покрытий. Для покрытий разной конфигурации были проведены исследования температурного расширения в диапазоне температур от - 20 °C до 90 °C. С использованием оригинальной математической, был промоделирован процесс индентирования, как модельных функционально-градиентных покрытий, так и покрытий с градиентным изменением азота по толщине полученных в ходе выполнения проекта. Для всех рассматриваемых покрытий были построены их высокоточные аппроксимации и определены коэффициенты этих аппроксимаций. Был произведен расчет жесткости индентирования, функции характеризующих силу приложенную к индентору и его осадку. Был предложен новый подход по уточнению эффективных модулей покрытий основанный на построении упрощенных аппроксимаций функций податливости. Подход позволяет учесть влияние подложки на результаты индентирования. Благодаря этому подходу были уточнены упругие модули однородных покрытий концентрация азота, в которых соответствовала промежуточным значениям концентрации в покрытии с градиентным изменением азота, что позволило оценить по какому закону изменяется модуль Юнга в данных образцах. Был предложен алгоритм, который может быть использован для проектирования функционально-градиентных покрытий с заданными упругими характеристиками по толщине, за счет изменения их стехиометрического состава или для определения градиента упругих свойств в уже существующих покрытиях. Экспериментальные исследования показали существенное различие между свойствами однородных, многослойных и градиентных покрытий. Также впервые был предложен способ получения непрерывно-неоднородных покрытий и показана возможность получения покрытий с непрерывно изменяющимися по глубине свойствами за счет, в данном случае, изменения нестехиометричности состава покрытия по глубине. При этом также было показано, что неоднородностью свойств можно эффективно управлять изменяя параметры в процессе напыления и, таким образом, получать любое распределение свойств (зависящих от нестехиометричности состава покрытия) по глубине покрытия с минимальным шагом, что открывает дополнительные возможности использования, как новых, так и хорошо известных материалов, тонко подстраивая их свойства под особенности конкретной область применения. Полученные в проекте результаты можно расширить на целый ряд материалов не ограничиваясь TiN и AlN. По результатам совместного исследования участники белорусско-российского коллектива проекта стали лауреатами премии РАН и НАН Беларуси. По результатам исследования было сделано 7 докладов на 3 научных конференциях и были опубликованы статьи в 5 зарубежных научных изданиях индексируемых в базах данных WOS и Scopus, в том числе, в двух, входящей в Q1.

Публикации

1. Айзикович С.М., Волков С.С., Васильев А.С., Лапина П.А. Приближенное решение контактных задач для неоднородного слоя Издается по решению Ученого совета «Института механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук» - филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наук, В книге: XХIV Зимняя школа по механике сплошных сред. Тезисы докладов. Пермь, 2025. С. 44. (год публикации - 2025)

2. Васильев А. С., Волков С. С., Лапицкая В. А., Николаев А. Л. Моделирование наноиндентирования тонких покрытий Ростов-на-Дону – Таганрог, Издательство Южного федерального университета,2025 , Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XIX Всерос. шк.-семинара, с. Дивноморское, 26-30 мая 2025 г. (год публикации - 2025)

3. Лапицкая В., Николаев А., Хабарава А., Садырин Е., Айзикович С., Азоян А., Котов Д., Чижик С., Ю Г., Сунь В. Effect of temperature and deposition power on microstructure and propertiesof magnetron sputtered thin AlN coatings WORLD SCIENTIFIC PUBL CO PTE LTD, Сингапур, JOURNAL OF ADVANCED DIELECTRICS, Vol. 15, No. 4 (2025) 2540004 (год публикации - 2025)
10.1142/S2010135X25400041

4. Кудиш И.И., Волков С.С. Eigenvalues of a lightly loaded lubricated oscillating contact Advanced Structured Material, Springer, Advanced Structured Materials: Current Developmentsin Solid Mechanics and Their Applications. – Vol.223. – Springer, 2025. – 782 p. – P. 373-390 (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-031-90022-8_25

5. Хабарова А.В., Лапицкая В.А., Чижик С.А., Николаев А.Л., Садырин Е.В., Волков С.С. Влияние параметров осаждения магнетронным методом на структуру и физико-механические свойства покрытий TiN и AlN Нац. акад. наук Беларуси, Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова ; редкол.: С. А. Чижик (пред.) [и др.]. – Минск : Беларуская навука, 2025, Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии: сб. докл. XIV междунар. конф. (БелСЗМ–2025), г. Минск (Беларусь), 21-24 окт. – Минск: Беларуская навука, 2025. – 351 с. – C. 215-218 (год публикации - 2025)

6. Волков С.С., Васильев А.С., Николаев А.Л., Лапицкая В.А. Математическое моделирование наноиндентирования покрытий Нац. акад. наук Беларуси, Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова ; редкол.: С. А. Чижик (пред.) [и др.]. – Минск : Беларуская навука, 2025, Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии: сб. докл. XIV междунар. конф. (БелСЗМ–2025), г. Минск (Беларусь), 21-24 окт. – 351 с. – C. 85-88 (год публикации - 2025)

7. Николаев А.Л., Лапицкая В.А., Хабарова А.В., Волков С.С. Структура и свойства покрытий AlN с различной стехиометрией, полученных методом реактивного магнетронного осаждения Нац. акад. наук Беларуси, Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова ; редкол.: С. А. Чижик (пред.) [и др.]. – Минск : Беларуская навука, 2025, Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии: сб. докл. XIV междунар. конф. (БелСЗМ–2025), г. Минск (Беларусь), 21-24 окт. – C. 179-183 (год публикации - 2025)

8. Еленская Н.; Виндокуров И.; Садырин Е.; Николаев А.; Ташкинов М Experimental evaluation of the effect of degradation on the mechanical behavior and morphometric characteristics of functionally graded polymer scaffolds Licensee MDPI, Basel, Switzerland, Polymers. – 2024. – Vol. 16. – Article number 3474; (год публикации - 2024)
10.3390/polym16243474

9. Садырин Е.В., Лапицкая В.А., Хабарова А.В., Евсюков А.П., Забияка И.Ю., Николаев А.Л. Sphero-conical indentor usage for estimation of tribological and mechanical properties of the dental materials Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation., Russian Journal of Biomechanics. 2025. Т. 29. № 2. С. 60-71. (год публикации - 2025)
10.15593/RZhBiomeh/2025.2.05

10. Лапицкая В., Николаев А., Хабарава А., Садырин Е., Айзикович С., Комаров А., Орда Д., Чернявская А., Абдулвахидов К., Азоян А., Котов Д., Чижик С. Microstructure and properties of thin AlN coatings with different stoichiometric compositions Materials Research Bulletin, Elsevier BV, Materials Research Bulletin, 2025, 187, 113380 (год публикации - 2025)
10.1016/j.materresbull.2025.113380

11. Николаев А. Л., Лапицкая В. А., Хабарова А. В., Волков С. С. Микроструктура и свойства тонких покрытий AlN с различным стехиометрическим составом Ростов-на-Дону – Таганрог, Издательство Южного федерального университета,2025 , Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XIX Всерос. шк.-семинара, с. Дивноморское, 26-30 мая 2025 г. (год публикации - 2025)

Возможность практического использования результатов
Полученные в работе результаты содержат комплексную информацию об условиях нанесения, структуре, морфологии поверхности, физико-механических и трибологических свойствах покрытий на основе AlN и TiN. Эти результаты могут быть использованы как при проектировании, так и при изготовлении деталей и механизмов с покрытиями, работа которых происходит в условиях трения, при повышенных нагрузках и в агрессивных средах, для режущего и штампового инструмента и позволят повысить срок эксплуатации изделий.