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 25-19-20005
НазваниеНаучные основы технологии получения сверхтвёрдых бескапельных покрытий на основе диборида титана методом магнетронного распыления короткими импульсами высокой мощности
Руководитель Гренадёров Александр Сергеевич, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл
Конкурс №101 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-307 - Электрофизические аспекты новых технологий
Ключевые слова износостойкость, сверхтвёрдость, диборид титана, магнетронное распыление, энергетическое воздействие, короткие импульсы, сильноточный режим (HiPIMS)
Код ГРНТИ29.27.51
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Ожидаемые результаты
В России, по крайней мере до недавнего времени, на рынке металлорежущего инструмента и оборудования для нанесения покрытий на режущий инструмент преобладает продукция европейских фирм Sandvik и Platit. Конкуренцию им создают более дешевые, но менее качественные аналоги из Китая. Данный проект направлен на разработку отечественных износостойких покрытий и основ технологий их изготовления, которые по своим характеристикам не уступают лучшим мировым аналогам, и в будущем могут быть масштабированы для промышленного производства в виде готовой технологии и оборудования.
Ожидаемые научные результаты по проекту:
1. Изучен состав плазмы короткоимпульсного сильноточного магнетронного разряда в режиме in situ с помощью системы оптического контроля на основе высокочувствительного спектрофотометра.
2. Измерены характеристики потоков энергии на подложку в процессе распыления мишени TiB2 при различных параметрах импульсов электропитания разряда.
3. Найдены оптимальные концентрации углерода и меди в покрытиях на основе диборида титана (Ti-B-Cu, Ti-B-C).
4. Установлены особенности управления структурой и свойствами покрытий (TiB2, Ti-B-Cu, Ti-B-C) за счёт ионной бомбардировки в процессе осаждения.
5. Установлены закономерности между структурой/свойствами покрытий (TiB2, Ti-B-Cu, Ti-B-C) и параметрами процесса осаждения.
6. Определены оптимальные условия для получения сверхтвёрдых (> 40 ГПа) бескапельных износостойких покрытий (параметр износа менее 10-7 мм3/Нм) на основе диборида титана (TiB2, Ti-B-N, Ti-B-Cu, Ti-B-C) методом дуального магнетронного распыления короткими импульсами высокой мощности.
Ожидаемые прикладные результаты по проекту:
Разработаны основы технологии осаждения сверхтвердых износостойких и жаропрочных покрытий на основе диборида титана покрытий с использованием метода дуального магнетронного распыления короткими импульсами высокой мощности.
Полученные результаты будут соответствовать мировому уровню исследований вследствие использования уникального метода дуального магнетронного распыления короткими импульсами высокой мощности, активно развиваемого в ИСЭ СО РАН.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном периоде были проведены комплексные экспериментальные исследования по разработке износостойких покрытий на основе диборида титана (TiBₓ) методом дуального сильноточного магнетронного распыления.
Выполненные работы включали:
1. Диагностику плазмы методом оптической эмиссионной спектроскопии (OES) для анализа влияния частоты (0,85; 5,5; 16 кГц) и мощности импульсного питания на степень ионизации титана и бора.
2. Прямые измерения плотности ионного тока и потока энергии на подложку в различных режимах разряда для оценки энергетического воздействия на растущее покрытие.
3. Осаждение серии покрытий TiBₓ с варьированием мощности на титановом магнетроне (50–250 Вт) и длительности импульсов (7 и 100 мкс).
4. Всестороннюю характеристику полученных покрытий: определение состава и стехиометрии (B/Ti), анализ фазового состояния и микроструктуры (РФА, ПЭМ), измерение механических (нанотвердость, модуль упругости) и трибологических свойств (коэффициент трения, скорость износа).
Полученные научные результаты:
1. Установлена сильная обратная зависимость степени ионизации титана от частоты импульсов: при 0,85 кГц интенсивность линии Ti II в 3,2–3,4 раза выше, чем при 16 кГц.
2. Разработан эффективный метод управления стехиометрией покрытий (B/Ti = 0,68–3,3) за счёт регулирования мощности на титановом магнетроне в дуальной системе распыления.
3. Обнаружено кардинальное влияние длительности импульса на микроструктуру: режим 100 мкс приводит к образованию поликристаллической столбчатой фазы TiB₂, а режим 7 мкс — к формированию аморфно-нанокристаллического состояния.
4. Для субстехиометрических покрытий (B/Ti ≈ 0,68) достигнуты высокие значения твердости (~45 ГПа) и сопротивления пластической деформации (H³/E² = 752 МПа). Для аморфно-нанокристаллических покрытий получен низкий коэффициент трения (~0,6) в паре с контртелом SiC.
5. Определены оптимальные комплексы технологических параметров для синтеза покрытий с максимальной износостойкостью или минимальным коэффициентом трения.
6. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, послужили основой для написания 2-х статей, опубликованных в журналах индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (Scopus). Одна из статей опубликована в журнале первого квартиля (Vacuum).
Публикации
1.
Гренадёров А.С., Крайнова Е.О., Оскомов К.В., Леонов А.А., Зуза Д.А., Шипилова А.В., Кремнева А.М., Соловьев А.А.
Influence of counterbody material and sliding speed on tribological behavior of TiBx coatings
Vacuum, V. 244, 114863 (год публикации - 2026)
10.1016/j.vacuum.2025.114863
2.
Крайнова Е.О., Гренадеров А.С., Зуза Д.А., Оскомов К.В., Шипилова А.В., Соловьев А.А.
Influence of discharge pulse duration on the structure, composition, and tribological properties of TiB coatings deposited by dual magnetron sputtering
Russian Physics Journal (год публикации - 2025)
10.1007/s11182-025-03577-y