Исследование формообразования поверхностных слоев при регулируемых параметрах защитной среды, позиционирования электродов и массопереноса металлов (Ti, Ta) плазмой искрового разряда.

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 24-29-00542

НазваниеИсследование формообразования поверхностных слоев при регулируемых параметрах защитной среды, позиционирования электродов и массопереноса металлов (Ti, Ta) плазмой искрового разряда.

Руководитель Кошуро Владимир Александрович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." , Саратовская обл

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Титан, тантал, нержавеющая сталь, электроискровое легирование, защитная атмосфера, аргон, удельное время обработки, 2D и 3D структуры, микроструктура, элементно-фазовый состав.

Код ГРНТИ55.22.00; 55.22.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Согласно известным исследования поверхность изделий медицинского назначения, контактирующих с костной тканью, должна помимо состава (материал должен быть биосовместимым) характеризоваться наличием структурных элементов (пор) определенного размера. Аналогичные требования предъявляются к изделиям машиностроительного назначения, работающими в условиях контактного трения. В этом случае, рекомендуется формировать на поверхности определенный рельеф, характеризуемый наличием структурных элементов (выступы и поры), размеры которых необходимо подбирать для каждой пары трения. Подобные структуры можно формировать электроискровым легирование. Предлагаемый проект предусматривает исследование процессов адресного массопереноса материала плазмой искрового разряда и формообразования покрытий с заданными размерами структурных элементов. В настоящее время достаточно полно изучены механизмы формо- и структурообразования покрытий при электроискровом легировании. При этом недостаточно данных, описывающих влияние типа и давления защитной среды, а также скорости перемещения электрода относительно поверхности подложки. Указанные параметры влияют на термодинамику процессов массопереноса и кристаллизации переносимого материала. Проект направлен на решение комплексной задачи, а именно исследование формообразования поверхностных слоев при регулируемых параметрах защитной среды, позиционирования электродов и массопереноса металлов (Ti, Ta) плазмой искрового разряда. Решение данной задачи достигается решением частных исследовательских задач: определение состава, структуры и механических свойств формируемых слоев; установление регрессионных моделей описывающих влияние условий массопереноса (удельное время обработки, плотность тока, давление защитной среды) на свойства формируемых слоев; определение и описание процессов формообразования слоев при электроискровом легировании с заданными параметрами перемещения электрода и защитной среды. Предлагаемая совокупность исследовательских работ позволит получить комплексные данные, которые можно использовать как базис при разработке и исследовании процессов массопереноса проводящих материалов плазмой искрового разряда, а также можно масштабировать и применить для разработки аддитивного процесса. По результатам выполнения работ за 1 год проекта, планируется достижение следующих результатов: 1. Конструктивные решения системы ««источник постоянного тока - бокс - система позиционирования - электромеханическая колебательная система – электрод инструмент – электрод деталь» позволяющей формировать на плоских поверхностях титана и нержавеющей стали слои с заданными параметрами структуры и состава. 2. Регрессионные зависимости, описывающие влияния условий электроискрового легирования (плотность тока, удельное время обработки, скорость перемещения электрода инструмента, давление защитной среды) на параметры формируемых слоев: состав, параметры структуры (размер структурных элементов), микротвердость, износостойкость. 3. Описание динамики и механизмов, происходящих при равномерном массопереносе титана и тантала на плоские поверхности подложек из титана и нержавеющей хромоникелевой стали. Коллектив имеет задел по исследованию танталсодержащих слоев, сформированных на титане электроискровым легированием. Апробирована методика получения на титане слоев с использованием автоматизированной системы позиционирования электрода относительно изделия, без использования защитной среды. Предлагаемые в проекте процессы ранее не исследовались членами научного коллектива. При этом у коллектива имеется существенный опыт по разработке планов экспериментальных работ, побору или разработке методов исследования, проведению исследований состава, структуры, твердости и износостойкости покрытий, установлению регрессионных моделей позволяющих установить, описать механизмы и процессы формообразования металлических и металлооксидных покрытий.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
При выполнении проекта реализован и апробирован лабораторный комплекс для электроискрового формирования покрытий, состоящий из мановакуумной камеры, системы позиционирования, электромеханической колебательной системы, источника питания, газо-вакуумной системы. Применение 3х осевого фрезерного станка с числовым программным управлением и источника постоянного тока позволяет наносить материал используемого электрода по заданной траектории с необходимым количеством слоев. С учетом данных по влиянию тока и давления газовой среды на ширину монослоя обеспечивается возможность на этапе разработки траектории движения электрода (задается в системе числового программного управления) планировать формирование локальных участков покрытия с необходимой размерностью и заполняемостью плоской поверхности покрытием, а также процент перекрытие при формировании слоев и размер макроэлементов (пор, участков подложки без покрытия размером от 0,2 мм). Газо-вакуумная система позволяет формировать в рабочей области массопереноса плазмой искрового разряда защитную атмосферы (технический вакуум, аргон) с давлением от 0,5 атм и более (согласно техническим характеристикам камеры до 3 атм). Использование защитной газовой среды разного типа (технический вакуум, аргон) и давления позволяет регулировать содержание кислорода и азота (от 17,99±1,09 до 47,15±1,73 ат. % и от 1,65±0,09 до 3,73±0,17 ат.% соответственно) в формируемых покрытиях и как следствие величину микротвердости (от 5,3±0,4 до 12,1±1,3 ГПа) наносимого материала Комплекс применялся при формировании танталовых слоев на плоских титановых изделиях. Проводились исследования состава, структуры, микротвердости формируемых слоев. Слои, сформированные ЭИЛ в воздушной среде характеризовались содержанием кислорода от 17,36±0,3 до 47,15±1,73 ат.% и азота от 2,07±0,51 до 4,17±0,33 ат.%. Применение аргона позволило наносить покрытия с меньшим содержанием кислорода (от 17,99±1,09 до 41,00±2,85 ат.%) и особенно азота (от 1,65±0,09 до 2,20±0,24 ат.%). Максимальный массоперенос Ta происходил при давлении воздушной среды 1,0 атм (0,1 МПа) и токе 1-2 А. При аналогичном давлении аргона и токе 2,0 А формирование покрытий происходило также интенсивно, но содержание азота и кислорода было значительно ниже. На поверхности сплэтов, сформированных в воздушной среде при атмосферном давлении визуализировались структурные элементы - поры с характерным размером 1-8 мкм и 50-300 нм. Снижение давления до 0,5 атм (0,05 МПа, 380 торр) приводило к уменьшению микропористости слоев с сохранением пор в наноразмерном и субмикрометровом диапазонах (100-800 нм). Слои, полученные ЭИЛ в среде аргона, характеризовались практически полным отсутствием микро- и наноразмерных пор. Отмечалось наличие сферических частиц со средним размером от 0,4 до 8 мкм. Для слоев, наносимых в воздушной среде, значение твердости изменялось от 5,4±0,7 до 12,3±1,5 ГПа и коррелировало с содержанием азота. Прослеживалась взаимосвязь твердости слоев, формируемых в аргоне (от 5,0±0,3 до 10,0±0,8 ГПа) с содержанием кислорода. На основе статистической обработки полученных результатов установлены регрессионные модели, описывающие влияние типа и давления газовой среды, а также тока (0,5 – 2,0 А, с учетом среднего диаметра острия электрода плотность тока составляет 1,28 – 5,13 А/мм^2) при электроискровом легировании титана танталом на элементный состав (содержание кислорода, азота, тантала в ат.%), размер структурных элементов (сплэтов), толщину и микротвердость формируемых слоев. Реализованный комплекс и полученные регрессионные модели, описывающие влияние условий массопереноса тантала на титан, могут быть использованы как задел для разработки технологически простого метода формирования на плоских титановых изделиях 2D танталовых структур.

Публикации

1. Кошуро В.А., Фомина М.А., Фомин А.А. Tantalum coatings formed on titanium by electrospark deposition with computer numerical control in a controlled gas environment International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Volume 130, a.n. 107151 (год публикации - 2025)
10.1016/j.ijrmhm.2025.107151

2. Кошуро В.А., Фомина М.А., Осипова Е.О., Фомин А.А. Танталовые покрытия, сформированные на титане электроискровым нанесением в контролируемой газовой среде Упрочняющие технологии и покрытия, Том 21, № 4, С. 173-179 (год публикации - 2025)
10.36652/1813-1336-2025-21-4-173-179

3. Кошуро В.А., Фомина М.А., Захаревич А.М., Осипова Е.О., Фомин А.А. Титановые покрытия, сформированные на нержавеющей стали электроискровым нанесением в контролируемой газовой среде УПРОЧНЯЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПОКРЫТИЯ, №2 (год публикации - 2026)

4. Кошуро В.А., Фомина М.А., Осипова Е.О., Фомин А.А. Исследование структуры и микротвердости танталовых многослойных покрытий, сформированных на титане электроискровым нанесением при разном давлении и типе рабочей газовой среды Труды 32-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. 3-5 июня 2025 г./ под ред. Тетерука Р.А., Шарифуллиной К.Р.– СПб.:Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Вакуумная техника и технологии - 2025. Труды 32-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. 3-5 июня 2025 г./ под ред. Тетерука Р.А., Шарифуллиной К.Р.– СПб.:Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2025.- С. 98-102. (год публикации - 2025)