Томские ученые с помощью новой технологии в пять раз повысили износостойкость титановых изделий
Ученые Томского научного центра СО РАН (ТНЦ СО РАН) разработали перспективный метод контролируемого образования соединений бора в поверхностных слоях титана, позволяющий в пять раз увеличить износостойкость покрытий медицинских изделий и промышленных инструментов из титана.
В настоящее время существуют два подхода при создании композитных материалов и покрытий: ex situ — получение композита путем прямого смешивания уже готовых армирующих частиц с матрицей; и in situ — когда синтез армирующих частиц происходит непосредственно в матрице. Второй метод имеет ряд важных преимуществ.
«В их числе — более высокая термодинамическая стабильность и межфазная связь между матрицей и армирующим наполнителем и меньшее количество дефектов, что может значительно усилить синергетический эффект в получаемом композитном покрытии. При этом зачастую при облучении электронным пучком нельзя добиться контролируемого синтеза нужных частиц боридов в титановой матрице», — рассказал один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории перспективных технологий ТНЦ СО РАН Евгений Яковлев.
Исследователи впервые продемонстрировали возможность управления структурой и свойствами покрытия в процессе электронно-пучковой обработки.
«Контролируемый синтез боридов в поверхностных слоях титана можно сравнить с приготовлением лазаньи: на образец напыляются борсодержащая и боридобразующая пленки с определенном соотношении толщин. Затем они подвергаются импульсной обработке электронным пучком, под действием которого происходит плавление пленок и синтез боридных частиц. Далее цикл повторяется. Таким образом и получилось желанное «блюдо» —нанокомпозитные покрытия, которые состоят из титановой матрицы и армирующих частиц диборида титана», — объяснили ученые.
Исследователи изучили различные варианты обработки и выявили оптимальный режим, когда при плотности энергии 3,5 Дж/см2 образуются композитные покрытия с максимальным содержанием наночастиц TiB2 (до 100 нанометров) в титановой матрице, что обеспечивает среди рассмотренных режимов наивысшую износостойкость. Выяснилось, что при более высоких плотностях энергии (4,5–5,5 Дж/см2) происходит чрезмерное плавление подложки и изменение соотношения титана и бора в поверхностном слое, что в 2-3 раза снижает содержание боридов и износостойкость.
В дальнейшем ученые планируют изучить, как легирующие элементы в подложке влияют на образование боридов, а также исследовать формирование боридов других металлов и сложных боридов.