Формирование оптимальной архитектуры и комплексное исследование эксплуатационных свойств защитного высокоэнтропийного покрытия на поверхности ультрамелкозернистого титанового сплава

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 23-79-10118

НазваниеФормирование оптимальной архитектуры и комплексное исследование эксплуатационных свойств защитного высокоэнтропийного покрытия на поверхности ультрамелкозернистого титанового сплава

Руководитель Валиев Роман Русланович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский университет науки и технологий» , Республика Башкортостан

Конкурс №85 - Конкурс 2023 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 ВЭС-покрытия, многокомпонентные покрытия, титановый сплав, ультрамелкозернистая структура, защита поверхности, эксплуатационная надежность

Код ГРНТИ55.20.27; 55.09.43; 55.22.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект направлен на развитие научных основ к повышению эксплуатационной надежности конструкционных титановых сплавов для авиадвигателестроения, работающих в экстремальных условиях, а также на разработку фундаментальных основ обработки и защиты поверхности, перспективных ультрамелкозернистых титановых сплавов покрытиями из высокоэнтропийных сплавов (ВЭС). В последние годы большое внимание уделяется разработке новых сплавов-высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) с необычным химическим составом, обладающих высокими механическими свойствами. Особый интерес представляет использование ВЭС из тугоплавких элементов (Zr, Ti, V, Cr и др) для защитных покрытий в связи с их очень высокой твердостью и износостойкостью. Высокоэнтропийные нитридные покрытия на основе Ti, V, Zr, Al, Cr продемонстрировали высокую износостойкость и стойкость к окислению. Однако открытым остается вопрос о роли подложки в структуре и свойствах покрытий из ВЭС и их практическом применении для деталей газотурбинного двигателя (ГТД), работающих в агрессивных экстремальных условиях эксплуатации. Цель данного проекта заключается в получении новых теоретических и экспериментальных данных по формированию покрытий на основе высокоэнтропийных сплавов, получаемых ионно-плазменной технологией на поверхности ультрамелкозернистого титанового сплава, а также прецизионные исследования формируемых покрытий и влияния структурного состояния подложки на свойства изделия с покрытием. Основными задачами планируемых исследований являются: 1) Изготовление катода для вакуумно-дуговой установки из высокоэнтропийного сплава TiZrVCrAl; 2) подбор режимов осаждения с целью получения однослойного (толщиной не более 10-12 мкм), многослойного (5-10 чередующихся слоев (TiZrVCrAl)N и TiZrVCrAl с общей толщиной не более 10-12 мкм) и мультислойного (до 1000 чередующихся слоев (TiZrVCrAl)N и TiZrVCrAl нанометровой толщины с общей толщиной не более 10-12 мкм) высокоэнтропийного покрытия (TiZrVCrAl)N с высокими механическими свойствами; 3) оптимизация режимов осаждения покрытия (TiZrVCrAl)N в зависимости от структурного состояния подложки; 4) определение физико-химических свойств высокоэнтропийного покрытия (TiZrVCrAl)N на каждом этапе; 5) исследование влияния структурного состояния положки на служебные свойства высокоэнтропийного покрытия (TiZrVCrAl)N. Научная новизна предлагаемого проекта заключается в отсутствии в российской и зарубежной литературе публикаций, посвященных получению и применению покрытий из ВЭС на металлических материалах, используемых в авиадвигателестроении и учитывая большой научный и практический интерес УМЗ титановых материалов для данных практических применений в предлагаемом проекте будет впервые осаждено ВЭС-покрытие на поверхность ультрамелкозернистой подложки, в данном случае эту роль будет играть титановый сплав ВТ-6 (Ti-6Al-4V), как широко используемый в авиадвигателестроении. Особое внимание будет уделено изучению влияния ультрамелкозернистой структуры сплава на эксплуатационные свойства покрытия, такие как твердость, эрозионная стойкость, адгезионная прочность, трибологические и механические свойства.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Р.З.Валиев,Я.Н.Савина,Э.И.,Усманов, Р.Р.Валиев ULTRAFINE GRAINED MATERIALS WITH ION-PLASMA SURFACE MODIFICATION - POTENTIAL FOR INNOVATIONS 16th International Conference «Gas Discharge Plasmas and Their Applications» (GDPA-2023), стр.15 (год публикации - 2023)

2. С.А. Атрошенко, Р.З. Валиев, Н.Ф. Морозов, Р.Р. Валиев, Я.Н. Савина, М.Н. Антонова, А.Д. Евстифеев Анализ износа и разрушения при высокоскоростной эрозии титанового сплава ВТ6 с защитным покрытием Физическая Мезомеханика, Vol. 27, No. 4. – P. 387-397 (год публикации - 2024)
10.1134/S1029959924040039

3. Валиев Р.Р., Олейник А.В.,Асфандияров Р.Н., Назаров А.Ю., Рамазанов К.Н., Савина Я.Н., Кильмаметов А.Р. Математическое моделирование процессов формообразования сложнопрофильной заготовки из ультрамелкозернистого титанового сплава и последующего осаждения защитного ВЭС-покрытия на ее поверхность Физическая Мезомеханика (год публикации - 2024)

4. Савина Я.Н, Валиев Р.Р., Назаров А.Ю., Рамазанов К.Н. ЗАЩИТНОЕ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНОЕ ПОКРЫТИЕ НА ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 Сборник материалов Третьей Международной школы-конференции молодых ученых "Кайбышевские чтения", стр.118 (год публикации - 2023)

5. Олейник А.В., Валиев Р.Р., Савина Я.Н., Назаров А.Ю., Рамазанов К.Н., Асфандияров Р.Н. USE OF THE MONTE-CARLO METHOD TO CALCULATE THE PERCENTAGE RATIO OF METALS IN ION-PLASMA COATINGS OF THE TiAlVZrCr SYSTEM DEPOSITED ON Ti-6Al-4V TITANIUM ALLOY WITH UFG STRUCTURE ADVANCED HIGH ENTROPY MATERIALS Abstracts of the V International Conference and School "Advanced High Entropy Materials", стр.156 (год публикации - 2023)

6. Савина Я. Н., Овчинников С.В., Валиев Р.Р., Селиванов К.С., Валиев Р.З. Microstructure and Properties of Protective Ion-Plasma Coating on UFG Ti Alloy Journal of Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques, Volume 18, pages S127–S135 (год публикации - 2024)
10.1134/s1027451024701969

7. Рамазанов К.Н., Валиев Р.Р., Савина Я.Н., Николаев А.А., Хаиткулов А.Р. Получение ВЭС покрытия tizrvcral плазменно-ассистированным катодно-дуговым методом UUST Nanomaterials Days : Сборник материалов Международной конференции, посвященной 75-летнему юбилею заслуженного деятеля науки РФ, профессора, доктора физико-математических наук Валиева Руслана Зуфаровича, Уфа, 26–27 сентября 2024 года. – Уфа: Уфимский университет науки и технологий, 2024., С. 55-56. (год публикации - 2024)

8. Савина Я.Н., Валиев Р.Р., Назаров А.Ю., Рамазанов К.Н., Овчинников С.В. Влияние технологических параметров осаждения на свойства высокоэнтропийного покрытия Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы : Сборник трудов открытой школы-конференции стран СНГ, Уфа, 30 сентября – 04 октября 2024 года. – Уфа: Уфимский университет науки и технологий, С. 254-255. (год публикации - 2024)

9. Валиев Р.Р., Савина Я.Н., Олейник А.В., Асфандияров Р.Н., Назаров А.Ю., Рамазанов К.Н. Математическое моделирование процессов формообразования сложнопрофильной заготовки из УМЗ титанового сплава ВТ6 с последующим осаждением ВЭС-покрытия Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии: тезисы докладов Международной конференции, Томск, 09–12 сентября 2024 года. – Томск: без издательства, С. 198. (год публикации - 2024)

10. Савина Я. Н., Валиев Р. Р., Назаров А. Ю., Николаев А. А., Рамазанов К. Н., Овчинников С. В., Хаиткулов А.Р., Филиппова Г.А., Санин В. В. Формирование высокоэнтропийного покрытия TiZrVCrAl на поверхности титанового сплава ВТ6 при различных технологических параметрах Materials. Technologies. Design, Т. 6, № 2(17), С. 81-91 (год публикации - 2024)
10.54708/26587572_2024_621781

11. Атрошенко С.А., Валиев Р.З., Казаринов Н.А., Морозов Н.Ф., Валиев Р.Р., Савина Я.Н., Антонова М.Н., Евстифеев А.Д. Высокоскоростная эрозия титанового сплава ВТ6 с защитным покрытием ZrN Прикладная механика и техническая физика (год публикации - 2024)
10.15372/PMTF202415584

12. Савина Я.Н., Валиев Р.Р., Назаров А.Ю., Николаев А.А., Олейник А.В., Рамазанов К.Н., Хаиткулов А.Р. Comparative results of computer modelling of TiVZrCrAl high-entropy coating deposition and the experiment. Advanced high entropy materials : Abstracts of the VI School of Young Scientists, Belgorod -Saint Petersburg, 02–03 октября 2024 года. – Belgorod -Saint Petersburg: ООО "Эпицентр", С. 31-32. (год публикации - 2024)

13. Савина Я.Н., Валиев Р.Р., Назаров А.Ю., Рамазанов К.Н. Влияние технологических параметров вакуумно-дугового осаждения на химический состав и микротвердость ВЭС покрытия системы TiZrVCrAl Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии: тезисы докладов Международной конференции, Томск, 09–12 сентября 2024 года. – Томск: без издательства, С. 546-547. (год публикации - 2024)

14. Рамазанов К.Н., Валиев Р.Р., Савина Я.Н., Назаров А.Ю., Николаев А.А., Хаиткулов А.Р. Obtaining a high-entropy TiZrVCrAl coating by plasma-assisted cathode-arc method 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2024): Abstracts. — Tomsk : Academizdat Publishing, 2024. — 684 p., С. 353. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Настоящий проект направлен на развитие научных основ по повышению эксплуатационной надежности конструкционных титановых сплавов для современного авиадвигателестроения, работающих в экстремальных условиях, а также на разработку фундаментальных основ обработки и защиты поверхности, перспективных ультрамелкозернистых титановых сплавов покрытиями из высокоэнтропийных сплавов (ВЭС). В соответствии с планом работ на 2 год были проведены экспериментальные работы по осаждению монослойных (TiZrVCrAl)N, многослойных (TiZrVCrAl/(TiZrVCrAl)N (5 слоев)) и мультислойных ((TiZrVCrAl)N/TiN (720 слоев)) ВЭС покрытий на подложки конструкционного титанового сплава ВТ6 с крупнозернистой (КЗ) и ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой. Был выполнен ряд экспериментальных исследований целого комплекса физико-химических свойств, фазового состава, наноиндентирование полученных покрытий на УМЗ и КЗ подложках титанового сплава ВТ6. Описание выполненных работ и достигнутых научных результатов: 1. Получены заготовки из конструкционного титанового сплава ВТ6 диаметром 20 мм и длиной 100 мм методом равноканального углового прессования (РКУП). Микроструктура титанового сплава ВТ6 после РКУП представляла собой зерна первичной α-фазы со средним размером около 5 мкм. В двухфазных α+β- областях наблюдается смесь α- и β-фаз в виде ультрамелких зерен со средним размером около 350 нм. Аттестация механических свойств показала повышение предела прочности до 1300 МПа, относительное удлинение составило около 12%. 2. Оптимизированы режимы по осаждению монослойных и многослойных ВЭС покрытий на подложки конструкционного титанового сплава ВТ6 с КЗ и УМЗ структурой на установке ННВ 6.6-И1. Впервые были сформированы 3 различные архитектуры покрытий – монослойное покрытие (TiZrVCrAl)N, многослойное в количестве 5 чередующихся слоев TiZrVCrAl и (TiZrVCrAl)N и мультислойное в количестве 720 чередующихся слоев (TiZrVCrAl)N и TiN. 3. С целью определения оптимальной архитектуры были проведены исследования физико-химических и механических свойств всех полученных вариантов покрытий на КЗ и УМЗ титановом сплаве ВТ6. В монослойном покрытии (TiAlCrZrV)N и многослойном покрытии TiAlCrZrV/(TiAlCrZrV)N на КЗ и УМЗ подложках содержание пяти металлических элементов составляет от 6 до 17 ат. %, содержание азота варьируется от 38 до 42 ат.%. Шероховатость поверхности по параметру Ra увеличивается от образца с монослойным покрытием к образцу с мультислойным покрытием, что обусловлено наличием капельной фракции на поверхности, которая часто формируется при вакуумно-дуговом испарении катода. Результаты микротвердости ВЭС покрытий демонстрируют, что формирование УМЗ структуры в подложке приводит к увеличению значения микротвердости покрытий по сравнению с покрытием на КЗ подложке, как для монослойного, так и для многослойных покрытий (5 и 720 слоев). Толщина покрытий, установленная с помощью фотографий поперечных сечений в РЭМ, составляет 1,3-1,6 мкм для всех архитектур покрытий. 4. Оценка адгезионной прочности методом Scratch-test показала, что значения критической нагрузки, при которой появляются первые трещины (Lc1), для монослойного и мультислойного покрытия (TiAlCrZrV)N/TiN составляют 7,0-9,6 Н. Значение нагрузок, при которых происходит отслаивание участков покрытия (Lc2), для УМЗ-сплава выше, чем для КЗ-сплава, как для монослойного покрытия (TiAlCrZrV)N, так и для мультислойного (TiAlCrZrV)N/TiN, тогда как Lc3 ниже. Вероятно, это означает, что влияние типа подложки, как фактора упрочнения, является либо масштабно зависимым (т.е. зависит от масштаба трещин, сколов), либо зависит от величины нагрузки (т.е. при превышении величиной нагрузки критического значения меняется структурный механизм разрушения), однако это требует дополнительных исследований. На основе полученных данных можно сделать вывод, что мультислойное покрытие (TiAlCrZrV)N/TiN на УМЗ подложке демонстрируют более высокую устойчивость к частичному разрушению по сравнению с покрытием на КЗ подложке, так как значения Lc1 и Lc2 для УМЗ сплава выше, чем для КЗ. 5. Исследование фазового состава всех полученных вариантов покрытий на КЗ и УМЗ титановом сплаве ВТ6 показало, что при переходе к УМЗ подложке плотность дефектов растёт (уменьшается размер кристаллов ГЦК фазы), а напряжения микроуровня падают для всех архитектур покрытий. Поэтому покрытия на УМЗ имеют более стабильное структурное состояние, а рост их механических свойств может быть обусловлен измельчением структуры. 6. Наноиндентирование всех полученных вариантов покрытий на титановом сплаве ВТ6 с КЗ и УМЗ структурой показало, что наибольшее значение нанотвердости (26,1 ГПа), модуля упругости (253 ГПа), индексов H/E (0,10) и H3/E2 (0,28 ГПа) имеет мультислойное покрытие (TiAlCrZrV)N/TiN (720 слоев) на УМЗ подложке титанового сплава ВТ6, что обусловлено более высокой стойкостью к пластической деформации из-за препятствия скольжению дислокаций через многослойные границы. В целом формирование высокоэнтропийного покрытия на УМЗ подложке позволяет получить более высокий комплекс механических свойств, что может быть связано со структурными особенностями при их формировании. 7. По результатам трибологических испытаний наименьшей интенсивностью изнашивания обладают образцы с мультислойным покрытием (TiAlCrZrV)N / TiN (720 слоев) на УМЗ подложке, что обусловлено более высокой пластичностью многослойной структуры, поскольку в случае взаимодействия контртела и покрытия предотвращает его полное скалывание, тем самым сохраняя защитные свойства покрытия на более длительный период по сравнению с другими образцами. По результатам химического анализа, адгезионной прочности, наноиндентирования, трибологических испытаний определено покрытие с наиболее оптимальной архитектурой - (TiZrVCrAl)N/TiN. Исследование эксплуатационных характеристик выбранного покрытия будет продолжено в 3 году проекта. По полученным результатам в текущем году опубликовано 3 научные статьи в ведущих отечественных материаловедческих журналах: Прикладная механика и техническая физика (RSCI,Белый Список (Уровень 2)) / Journal of Applied Mechanics and Technical Physics (WoS, Scopus) Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques (WoS, Scopus), Materials. Technologies. Design (ВАК). Научным коллективом проекта сделано 6 докладов на международных конференциях с опубликованием тезисов.

Публикации