Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Добавление частиц графита к алюминию позволяет улучшить его трибологические свойства за счет проявления эффекта самосмазывания, а армирование таких алюмоматричных композитов Al-C керамической фазой карбида титана TiC с высокой твердостью и прочностью позволяет получить гибридные композиты Al-TiC-C с повышенными физико-механическими свойствами и улучшенной износостойкостью. В настоящей работе исследовалось применение нового энергоэффективного подхода к получению композитов Al-TiC-C путем сочетания метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) пористых композиционных каркасов из карбида титана и свободного углерода TiC-C с последующей инфильтрацией их расплавом алюминия и его сплавов. Для синтеза карбида титана использовалась стехиометрическая смесь порошков титана и графита Ti+C, а для получения свободного углерода в эту стехиометрическую смесь добавлялись порошки графита с размерами частиц 10-15 мкм или 100-1000 мкм, или углеволокно рубленое диаметром 7 мкм и длиной 3 мм. Для изучения микроструктуры, состава, физико-механических и трибологических свойств новых композитов использовались методы: сканирующий электронный микроскопии с энергодисперсионной спектрометрией, рентгенофазового анализа, определения плотности гидростатическим взвешиванием, твердости по Бринеллю, прочности при сжатии, трибологических свойств на трибометре по схеме «pin-on-disk». Установлено, что добавляемый графит с размерами частиц 10-15 мкм практически полностью растворяется в расплаве алюминия, а графит с размерами частиц 100-1000 мкм и углеволокно сохраняются. Предел прочности при сжатии углеродсодержащих алюмоматричных композитов составил от 203 до 233 МПа. При сухом трении реализуется преимущественно абразивный механизм изнашивания с высоким коэффициентом трения 0,88-0,98, но в 3 раза меньшим износом образца композита, полученного с добавлением крупного графита с размером 100-1000 мкм. Получены гибридные каркасные СВС-композиты TiC-C(графит)-(Al-5%Cu) и TiC-C(графит)-(Al-5%Si) с относительно однородной структурой и средней плотностью 3,06 и 2,94 г/см3. Побочными фазами в СВС-композитах являются Al4C3, Al2O3 и TiAl3. Отмечена пониженная межфазная химическая активность в композите TiC-C(графит)-(Al-5Cu). Трибологические испытания показали повышенную износостойкость СВС-композитов, а характер изнашивания абразивный. Установлено, что TiC-C СВС-композиты на основе сплавов Al-5%Si и Al-5%Cu по сравнению с чистым Al обеспечивают существенно лучшие трибологические характеристики, а именно, добавление 5%Si и 5%Cu, соответственно, уменьшает: коэффициент трения на 17% и 34%; износ стального контртела на 21% и 71%; износ самого СВС-композита в 1,8 и 3,5 раза. С точки зрения трибологических свойств, наилучшие результаты достигнуты на композите TiC-C-(Al-5%Cu). Условный предел текучести материалов составил: Al-5%Si (92,8±13,1 МПа); Al-5%Cu (128,7±17,2 МПа); TiC-C-(Al-5%Si) (191,0±29,7 МПа) и TiC-C-(Al-5%Cu) (208,3±58,1), из чего видно, что добавление каркаса TiC-С повышает предел текучести сплавов в среднем в 1,6…2 раза. По показателю износостойкости исследуемые материалы устойчиво занимают 5 класс, а стальной контрматериал 6 класс. При этом добавка крупного графита и/или легирование матрицы Cu и Si повышает класс износостойкости СВС-композита TiC-Al до 6, а стального контртела практически до 7. Учитывая, что в подшипниках скольжения используются материалы 5…8 класса износостойкости, то данные материалы являются перспективными для применения в данном направлении даже в режиме сухого трения. При этом очевидно, что живучесть узла трения может быть существенно увеличена присутствием жидкой смазочной среды. Примечательно, что небольшая остаточная пористость (до 5-10%) СВС-композитов системы Al-TiC-C(Гр) может рассматриваться как емкость для пропитки жидким смазочным материалом, что, в целом, может повысить устойчивость работы узла трения при меняющихся условиях контактного давления и скорости работы трибосопряжения.

Аннотация результатов, полученных в 2026 году
Исследована возможность получения новых износостойких самосмазывающихся каркасных керамико-металлических композитов TiC-Cu и TiC-C-Cu на основе использования явления самопроизвольной инфильтрации расплава меди в горячий пористый керамический каркас карбида титана (TiC) или карбида титана с включениями графита (TiC+C), получаемого методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) по сильноэкзотермической реакции (Ti+C=TiC) при горении смеси порошков (Ti+C) с достижением температуры до 2800 оС. Расплав меди получают либо также в режиме горения другой смеси порошков (3CuO+2Al) в результате сильноэкзотермической металлотермитной реакции (3CuO+2Al= Al2O3+3Cu) с достижением температуры до 2570 оС, либо нагревом медной заготовки в электрической печи до 1200 оС. В случае сочетания металлотермической реакции и процесса СВС для получения композитов TiC-Cu и TiC-C-Cu исключается необходимость использования внешних источников энергии. Разработаны способы сочетания металлотермической реакции и процесса СВС как с использованием вертикального двухкамерного реактора, в котором верхняя камера предназначена для проведения металлотермической реакции получения расплава меди, а нижняя камера – для проведения СВС с целью получения пористого керамического каркаса карбида титана TiC как основы каркасного композита, так и более простым способом без использования такого реактора или другого оборудования. Самопроизвольная инфильтрация расплава меди в пористый керамический каркас карбида титана TiC может быть осуществлена при наличии смачиваемости карбида титана расплавом меди, то есть при величине контактного (краевого) угла между ними меньше 90о. Чистая медь, химически не взаимодействующая с карбидом титана и углеродом, не смачивает их в широком интервале температур, так как значение краевого угла для жидкой чистой меди с карбидом титана составляют 130-140° до 1350 оС. При повышении температуры краевой угол уменьшается. При сочетании металлотермической реакции и процесса СВС, когда расплав термитной меди имеет температуру до 2570 оС, а синтезированный методом СВС пористый каркас TiC температуру до 2800 оС, такие высокие температуры достаточны для смачивания жидкой медью карбида титана и углерода и обеспечения инфильтрации пористых каркасов TiC и TiC-C. Экспериментальные результаты подтвердили это, но показали, что давление прессования СВС-шихты Ti+C и добавление порошка меди в шихту также существенно влияют на полноту пропитки термитным расплавом меди. Наибольшей плотностью, однородностью и бездефектностью обладают образцы в оптимальных условиях, а именно, при добавке меди в размере 10% масс. и давлении прессовании шихты 45 МПа. Полная пропитка была достигнута и при исследовании влияния избытка углерода по сравнению со стехиометрической смесью (Ti+C+0,1Cu), когда в СВС-шихту добавлялось 50, 100, 150 и 200 % углерода в виде графита марок С2 и ГМЗ для получения графитосодержащих керметов TiC-C-Cu. При исследовании возможности самопроизвольной инфильтрации приготовленных в печи расплавов меди и бронзы БрАЖ9-4 с температурой 1200 оС в пористые СВС-каркасы TiC и TiC-графит, полученных из насыпных порошковых материалов различной дисперсности, а также с добавкой порошка меди в шихту, показано, что расплав чистой меди, в отличие от расплава алюминия, не пропитывает синтезированные каркасы TiC и TiC-C, но сплавы меди пропитывают некоторые СВС-каркасы TiC, полученные на наиболее крупных порошках титана и графита. Такие результаты объясняются тем, что расплав чистой меди с температурой 1200 оС не смачивает TiC, но сплавы меди с такими металлами как железо, алюминий, титан, кобальт, хром и другие могут смачивать карбид титана при температурах менее 1200 оС. Наработаны образцы композитных материалов TiС-C-Cu, TiС-C-(бронза), полученных инфильтрацией термитным расплавом меди и расплавом из плавильной печи. Проведено комплексное исследование структуры, фазового состава и физико-механических свойств полученных композитов TiC-Cu и TiC-C-Cu, а также изучение влияния воздействия электрической дуги на композиты. Во многих случаях полученные результаты могут быть объяснены влиянием различных факторов на смачиваемость компонентов композитов. При этом надо учесть, что смачиваемость определяет не только полноту инфильтрации керамического каркаса TiC или TiC с графитом расплавом матричного металла - меди или медного сплава, но и величину адгезии между каркасом и матрицей. При отсутствии смачиваемости адгезия компонентов композита мала, поэтому мала и прочность композита в целом. Если TiC после синтеза имеет очень высокую температуру и потому хорошую смачиваемость медью и адгезию с ней, то инертные частицы графита, особенно крупные, не успевают нагреться до высоких температур в процессе СВС и не могут смачиваться медью, поэтому их адгезия с матрицей мала. В связи с этим при большом избытке крупных частиц графита ГМЗ (до 1 мм) прочность и твердость графитосодержащих композитов становятся низкими, и такие композиты легко разрушаются под механической нагрузкой. Графитосодержащие композиты с избытком более мелких частиц графита С2 (со средним размером 15 мкм), которые успевают прогреться до высоких температур в процессе СВС, получаются более прочными и твердыми. Оценены трибологические характеристики полученных композитов TiC-бронза (БрАЖ 9-4) и TiC-С-бронза в условиях сухого трения скольжения с шаровым индентором из стали ШХ-15 с определением износостойкости, коэффициента трения и других трибологических параметров. Износостойкость композитов оказалась гораздо выше базового материала БрАЖ 9-4 (в 2,3 раз вариант TiC-бронза и в 2,9 раз вариант TiC-С-бронза). Отношение износостойкости между композитами составляет 1,5 раза, что говорит о положительном влиянии графита на износостойкость образца и повышает стабильность трения, снижая величину разброса коэффициента трения. Коэффициент трения, полученный в испытаниях композитов, сопоставим, но по отношению к базовому материалу он выше в 2,3 раза. Если процесс изнашивания в паре трения ШХ-15/ БрАЖ 9-4 адгезионный, то в парах трения ШХ-15 c композитами – абразивно-адгезионный. Наличие графита снижает скорость изнашивания, а твердые тугоплавкие частицы TiC и возможных интерметаллических соединений предотвращают схватывание, но являются причиной абразивного повреждения поверхностей трения. Такие пористые композиционные материалы перспективны для применения в узлах трения с жидкой смазкой, а также при сухом трении, где контактные давления относительно невелики и где могут проявиться положительные свойства графита. К таким парам трения можно отнести скользящие электрические контакты. При моделировании электроконтактного трения скорость изнашивания образцов из композита TiC-БраЖ 9-4 составила от 120 до 150 мкм/час, в то время как у стальных образцов она достигала 700 мкм/час.