Содержание
Перейти к:
Покрытия на основе карбида тантала, полученные методами магнетронного распыления и электроискрового легирования, для повышения износостойкости деталей запорной арматуры
А. Д. Сытченко,
М. Н. Фатыхова,
В. П. Кузнецов,
К. А. Купцов,
М. И. Петржик,
А. Е. Кудряшов,
Ф. В. Кирюханцев-Корнеев https://doi.org/10.17073/1997-308X-2023-3-67-78
Аннотация
Покрытия Ta–Zr–Si–B–C осаждались методом магнетронного распыления (МР) многокомпонентной мишени TaSi2–Ta3B4–(Ta, Zr)B2 в среде Ar + C2H4 . Покрытия на основе TaC–Fe–Cr–Mo–Ni были получены путем электроискрового легирования (ЭИЛ) с использованием электрода TaC–Cr–Mo–Ni. Состав и структура покрытий исследовались с помощью сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии, оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда и рентгенофазового анализа. Механические характеристики определялись методом наноиндентирования. Трибологические свойства исследовались на машине трения в режиме возвратно-поступательного движения. Выявлено, что покрытия обладают однородной бездефектной структурой и основной структурной составляющей является ГЦК-фаза TaC. Ее концентрация в МР-покрытии на 30 % выше, чем в ЭИЛ- покрытии. Размеры кристаллитов TaC для МР- и ЭИЛ-покрытий составляли 3 и 30 нм соответственно. Высокая доля карбидной фазы и малый размер кристаллитов обеспечили более высокую твердость МР-покрытия (Н = 28 ГПа) по сравнению с ЭИЛ-образцом (Н = 10 ГПа). Покрытия характеризовались близкими значениями коэффициента трения (около 0,15) и приведенного износа (<10–7 мм3/(Н·м)). Осаждение на стальную подложку привело к снижению коэффициента трения в 5 раз и приведенного износа на 4 порядка. Проведены опытно-промышленные испытания покрытий, осажденных на клиновые задвижки запорной арматуры для перекачки жидкости, используемые в нефтегазовой промышленности. Результаты испытаний показали, что ресурс работы стальной клиновой задвижки возрос на 25 и 70 % при осаждении МР- и ЭИЛ-покрытий соответственно.
Ключевые слова
магнетронное распыление (МР),
электроискровое легирование (ЭИЛ),
покрытия,
TaС,
коэффициент трения,
износостойкость
При поддержке: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-49-00141).
Для цитирования:
Сытченко А.Д., Фатыхова М.Н., Кузнецов В.П., Купцов К.А., Петржик М.И., Кудряшов А.Е., Кирюханцев-Корнеев Ф.В. Покрытия на основе карбида тантала, полученные методами магнетронного распыления и электроискрового легирования, для повышения износостойкости деталей запорной арматуры. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2023;17(3):67-78. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2023-3-67-78
For citation:
Sytchenko A.D., Fatykhova M.N., Kuznetsov V.P., Kuptsov K.A., Petrzhik M.I., Kudryashov A.E., Kiryukhantsev-Korneev P.V. TaC-based wear-resistant coatings obtained by magnetron sputtering and electro-spark deposition for wedge gate valve protection. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings. 2023;17(3):67-78. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2023-3-67-78
Введение
Одной из основных проблем современного производства является износ деталей и металлических конструкций в процессе эксплуатации. Для увеличения износостойкости и срока службы достаточно модифицировать только поверхность изделий путем нанесения защитных покрытий. Перспективными технологиями осаждения таких покрытий, востребованными в промышленности, являются электроискровое легирование (ЭИЛ) [1] и магнетронное распыление (МР) [2].
Метод электроискрового легирования, основанный на явлении электрической эрозии материалов при искровом разряде и переносе продуктов эрозии с поверхности электрода на подложку, обладает такими преимуществами, как высокая адгезия, возможность локальной обработки поверхности, низкое термическое воздействие на подложку, отсутствие жестких требований к подготовке поверхности перед нанесением [3–5]. В свою очередь, технология магнетронного напыления, в которой образование покрытия происходит из атомарных потоков при вакуумном распылении материала-катода вследствие протекания аномального тлеющего разряда, характеризуется универсальностью по отношению к используемым подложкам, а наносимые покрытия имеют низкую концентрацию дефектов и плотную однородную структуру с равномерным распределением элементов по толщине покрытия [6–8].
До недавнего времени объекты применения ЭИЛ и МР были ограничены преимущественно металлообрабатывающим (режущим, штамповым или прокатным) инструментом. Можно отметить эффективность метода ЭИЛ при упрочнении прокатных валков [9], сверл [10] и штампов [11]. Положительные результаты применения МР-покрытий отмечены при упрочнении пуансонов [12], роликов холодной прокатки [13], режущих токарных пластин, концевых фрез [14–16] и штампов [17].
В последние годы области использования упрочняющих защитных ЭИЛ- и МР-покрытий существенно расширились. Можно отметить работы по нанесению МР-покрытий на трубы тепловыделяющих элементов [18; 19], элементы котлов для сжигания биотоплива [20]. ЭИЛ-покрытия демонстрируют высокие характеристики при нанесении на лопатки как горячей зоны газотурбинного двигателя [21], так и газовых турбин тепловых и атомных станций [22], а также на подшипники [23], компоненты двигателя внутреннего сгорания [24], детали силовых гидроцилиндров [25], насосов в гидросистемах тракторов, сельскохозяйственных машин [26] и объектов морской инфраструктуры [27], штоки гидроцилиндров буровых насосов [28] и др.
Одними из объектов, в которых может быть эффективно реализован потенциал методов МР и ЭИЛ, являются детали запорной арматуры для перекачки жидкости, используемые в нефтегазовой промышленности, подверженные значительному износу вследствие истирания и воздействия абразивных частиц. Износ запорной арматуры является распространенной причиной отказов оборудования и аварий [29]. Вопрос интенсивного износа и выхода из строя данных компонентов обсуждается в работах [30; 31]. Решением указанной проблемы является нанесение покрытий на компоненты запорной арматуры. В данном направлении были опробованы лакокрасочные металлические покрытия (Zn, Cu, Al–Cr), нанесенные гальваническим и ионно-плазменным методами, а также путем плазменного напыления и лазерной наплавки, и показана перспективность применения покрытий, обладающих повышенными плотностью и коррозионной стойкостью [32]. Ряд решений по увеличению срока службы элементов запорной арматуры с использованием ионно-плазменных технологий, в частности МР, описан в [33].
Перспективным электродным материалом для использования в технологиях магнетронного напыления и электроискрового легирования является карбид тантала. Он используется в качестве защитных покрытий благодаря высоким показателям твердости (от 25 до 45 ГПа), модуля упругости (300–450 ГПа), износостойкости в условиях истирания, стойкости к химическому воздействию и окислению, термической стабильности (до 2000 °С) [34; 35]. Во избежание хрупкого поведения TaC при нагружении и разрушения вследствие образования трещин бинарные покрытия легируют:
– элементами, обладающими растворимостью в основной фазе (Cr, Mo, V, Ni, Zr и др.), что способствует существенному улучшению свойств базовых покрытий за счет деформации решетки в результате образования новых твердых растворов [36];
– аморфизирующими элементами, такими как Si и B, которые способствуют модификации структуры покрытий с образованием нанокомпозита, характеризующегося рекордными механическими характеристиками, износо- и коррозионной стойкостью [37–39].
Целью данной работы являлось получение износостойких покрытий на основе карбида тантала методами магнетронного распыления и электроискрового легирования для защиты элементов запорной арматуры.
Материалы и методы исследований
Покрытия Ta–Zr–Si–B–C были получены магнетронным распылением керамической мишени TaSi2–Ta3B4–(Ta, Zr)B2 (состава, мас. %: 70,8 Ta, 18,6 Si, 7,4 Zr и 2,9 B) диаметром 120 мм и толщиной 6 мм, синтезированной методом горячего прессования измельченных продуктов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [40]. Для осаждения покрытий использовалась вакуумная установка типа УВН-2М (АО «Кварц», Россия) [41]. Электропитание магнетрона осуществлялось с использованием блока 5×5 Pinnacle+ («Advanced Energy», США). Мощность, напряжение и ток составляли 1 кВт, 500 В и 2 А соответственно. Покрытия наносились в реакционной среде Ar + C2H4 с использованием газов Ar (99,9995 %) и C2H4 (99,95 %). Расход 15 мл/мин Ar и 10 мл/мин C2H4 контролировался системой газонапуска («Элточприбор», Россия). Остаточное давление и давление рабочего газа составляли ~10\(^–\)3 Па и 0,1–0,2 Па соответственно. Покрытия осаждались в течение 40 мин.
Методом электроискрового легирования в вакууме [36; 42] с помощью электрода TaC–Cr–Mo–Ni было нанесено покрытие TaC–Fe–Cr–Mo–Ni. Электроды были получены методом холодного прессования с использованием порошков: Cr (марки ПХ-1С, фракцией <60 мкм), Ni (ПНК-0T2, <20 мкм), Mo (ПМ99.95, <5 мкм) и TaC (МРТУ 9-09-03443-77, <5 мкм), которые смешивались в планетарной мельнице Активатор-4M (Россия) в соотношениях, ат. %: 67,5TaC–12,5Mo–7,5Ni–12,5Сr. Нанесение покрытий осуществлялось в следующих технологических условиях:
– скорость вращения электрода 1000 об/мин;
– скорость движения электрода 500 мм/мин;
– шаг сканирования поверхности 0,5 мм;
– частота электрических импульсов 100 Гц;
– напряжение импульсов 100 В и их длительность 50 мкс;
– рабочее давление в вакуумной камере 0,5 Па;
– среда нанесения – Ar.
В качестве модельных подложек для осаждения покрытий использовались диски из стали PH1 (мас. % 77,2Fe–14,6Cr–3,8Ni–3,6Cu–0,8Si) диаметром 45 мм. Покрытия также наносились на клин и седла запорного органа клиновой задвижки из стали PH1. Подложки перед нанесением покрытия подвергались очистке в изопропиловом спирте на установке УЗДН-2Т (Россия) с рабочей частотой 22 кГц в течение 5 мин. Перед нанесением покрытий методом МР также производилась очистка подложек в вакууме с помощью ионного источника (ионы Ar+, 2 кэВ) в течение 20 мин.
Структура и состав покрытий исследовались с помощью следующих методов анализа:
– сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с использованием микроскопа S-3400 («Hitachi», Япония), оснащенного приставкой Noran-7 Thermo для энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС);
– оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда (ОЭСТР) на приборе Profiler 2 («Horiba JY», Франция);
– рентгенофазового анализа (РФА) с использованием дифрактометра D2 Phaser («Bruker», Германия).
Механические свойства покрытий были определены методом наноиндентирования на прецизионном нанотвердомере Nano-hardness tester («CSM Instruments», Швейцария), оснащенном индентором Берковича, при нагрузке 8 мН.
Трибологические испытания покрытий и стальной подложки проводились на автоматизированной машине трения Tribometer («CSM Instruments», Швейцария) с использованием возвратно-поступательного модуля. В случае стального контртела происходит его интенсивное натирание на поверхность более твердого покрытия, что затрудняет оценку коэффициента трения и износостойкости [43]. По этой причине при трибологических испытаниях использовался шарик из Al2O3 диаметром 3 мм. Нагрузка составляла 2 Н, линейная скорость – 0,3 см/с, количество циклов – 300. Дорожки износа покрытий исследовались методом оптической профилометрии с помощью прибора «WYKO NT1100» («Veeco», США). Анализ участков износа контртела проводился на оптическом микроскопе Axiovert 25 («Carl Zeiss», Германия). Значения приведенного износа покрытий и контртела рассчитывались по методике, описанной в работе [44].
Опытно-промышленные испытания на герметичность затвора стальной задвижки с выдвижным шпинделем с покрытием, осажденным на клине и седлах запорного органа, проводились в соответствии с ГОСТ 33257 и ТУ 3741-001-22986183-2009. Испытания осуществлялись на аттестованном стенде с использованием контрольно-измерительных средств. Испытательной средой была вода с температурой 20±5 °C; ее давление составляло 18,0 МПа. Испытания проводились непрерывно до достижения максимального количества циклов открыто–закрыто по критерию начала протечки затвора (потери герметичности).
Результаты и их обсуждение
Элементный состав и толщина покрытий представлены в табл. 1. Содержание TaC в МР-покрытии (45 ат. %) на 30 % выше содержания карбидной фазы в ЭИЛ- покрытии (32 ат. %).
Таблица 1. Элементный состав и толщина покрытий
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
На рис. 1, а, б представлены СЭМ-изображения поперечных шлифов и рентгенограммы МР- и ЭИЛ-покрытий, на которых видна однородная бездефектная микроструктура. Толщина МР- и ЭИЛ-покрытий составляла 7 и 54 мкм соответственно. Для ЭИЛ-покрытия наблюдались равномерно распределенные по всему объему частицы карбида тантала размером до 0,2 мкм, расположенные в металлической матрице на основе железа с растворенными в нем Cr, Ni и Mo. В локальных областях присутствуют крупные зерна TaC размером до 5 мкм. Исходная шероховатость ЭИЛ-покрытия составила Ra = 2,2 мкм, а МР-покрытия – 15 нм.
Рис. 1. СЭМ-микрофотографии поперечных шлифов покрытий, полученных МР (а) и ЭИЛ (б), |
На рентгенограммах покрытий МР и ЭИЛ присутствуют пики при 2θ = 34,9°, 40,5° и 58,6°, соответствующие плоскостям (111), (200) и (220) ГЦК-фазы TaC (JCPDS 89–3831) (см. рис. 1, в).
Уширенные пики для МР-покрытия свидетельствуют о наличии аморфной матрицы на основе TaSi2 c растворенными в ней цирконием и бором [38]. На рентгенограмме ЭИЛ-покрытия дополнительные пики в положениях 44,5° и 64,8° соответствуют твердому раствору на основе альфа-железа α-Fe(Cr, Ni, Mo). Размер кристаллитов фазы TaC, оцененный по самой интенсивной линии (111), составлял ~3 и ~30 нм для покрытий МР и ЭИЛ соответственно. Параметр решетки (а) был равен 0,447 нм для покрытия МР и 0,441 нм для покрытия ЭИЛ, что несколько отличается от значения а = 0,445 нм для порошкового стандарта TaC (карточка JCPDS 89-3831). Такое отклонение может быть связано с наличием сжимающих (для МР-покрытия) [45] и растягивающих (для ЭИЛ) [46] напряжений или отклонением состава фазы TаC от стехиометрического [47].
Механические характеристики покрытий и подложки: твердость (H), модуль Юнга (E) и упругое восстановление (W), приведены в табл. 2.
Таблица 2. Механические и трибологические характеристики
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Более высокие механические свойства МР-покрытия могут быть связаны с высокой долей твердой карбидной фазы TaC [49; 50] и его мелкокристаллической структурой [38; 51; 52].
ЭИЛ- и МР-покрытия характеризовались стабильно низкими значениями коэффициента трения µ = 0,15 (рис. 2, а, табл. 2). У стальной подложки во время первых 120 циклов значение µ плавно возрастало с 0,17 до 0,65. После этапа приработки коэффициент трения стабилизировался на уровне 0,73. Таким образом, осаждение МР- и ЭИЛ-покрытий снижает этот показатель у стальной подложки в 5 раз. Пониженный коэффициент трения покрытий по сравнению с подложкой может быть связан с положительной ролью свободного углерода, который в ряде случаев может выделяться при пересыщении кристаллической карбидной фазы и играть при трении роль твердой смазки [53].
Рис. 2. Зависимость коэффициента трения от количества циклов (а) и двухмерные профили |
Двухмерные профили дорожек износа представлены на рис. 2, б. Глубина дорожки для МР- и ЭИЛ-покрытий находилась в пределах шероховатости и не превышала 150 нм, в то время для стальной подложки она составила 8 мкм. Приведенный износ (Vw), рассчитанный по двухмерным профилям, для покрытий МР и ЭИЛ не превышал 10\(^–\)7 мм3/(Н·м), а для стальной подложки – 1,2·10\(^–\)3 мм3/(Н·м) (см. табл. 2). Отметим, что осаждение МР- и ЭИЛ-покрытий приводит к многократному увеличению износостойкости стальной подложки.
Микрофотографии зон трибологического контакта на поверхности шарика Al2O3 представлены на рис. 3. В случае МР-покрытия и стальной подложки выявлено незначительное налипание продуктов износа, в результате чего определение значений Vw контртела было затруднено. Для ЭИЛ-покрытия в зоне контакта наблюдались царапины, что свидетельствует об абразивном характере износа. При этом приведенный износ шарика Al2O3 составил 4,7·10\(^–\)7 мм3/(Н·м).
Рис. 3. Микрофотографии участков износа контртела |
Испытания стальной клиновой задвижки показали, что количество рабочих циклов до протечки затвора в случае деталей с МР- и ЭИЛ-покрытиями составили 3750 и 5100 соответственно, в то время как для стальных деталей данные значения не превышают 3000 циклов. Таким образом, осаждение покрытий МР и ЭИЛ приводит к росту ресурса работы стальной клиновой задвижки на 25 и 70 %.
Внешний вид деталей с МР-покрытием, а также СЭМ-микрофотографии участков трибоконтакта после опытно-промышленных испытаний представлены на рис. 4, а. На поверхности детали в зоне трибологического контакта наблюдались царапины, что свидетельствует об абразивном характере износа. Согласно данным СЭМ и ЭДС по внутренним краям участков трибоконтакта можно выделить 3 зоны:
1 – отвечает исходному МР-покрытию с высоким содержанием углерода на поверхности;
2 – соответствует покрытию и окисленным продуктам износа подложки;
3 – относится к материалу подложки.
Рис. 4. Внешний вид деталей с покрытием после опытно-промышленных испытаний |
На рис. 4, б представлена поверхность стальной клиновой задвижки с ЭИЛ-покрытием, а также СЭМ-изображения участков в области трибоконтакта после опытно-промышленных испытаний. Перед их проведением ЭИЛ-покрытия подвергались притирке на притирочной плите с использованием алмазного порошка дисперсностью 6 мкм до шероховатости 500 нм. На СЭМ-изображении поверхности детали с ЭИЛ-покрытием выделены две характерные области, отличающиеся по контрасту: первая – светло-серого цвета отвечает изношенной поверхности образца до стали, а вторая – темно-серого цвета соответствует покрытию состава, ат. %: 10 Ta, 11 C, 67 Fe, 9 Cr, 2 Mo и 1 Ni. В области трибоконтакта происходило образование продуктов износа, которые состояли из смеси оксида железа и хрома. В процессе трения продукты износа затирались в царапины (см. рис. 4, б).
Таким образом, отличий в механизме износа покрытий МР и ЭИЛ не наблюдалось. Ключевым фактором, влияющим на износостойкость, является толщина покрытий. Лучшую износостойкость показало ЭИЛ-покрытие, обладающее большей толщиной. Преимущество МР-покрытий заключается в отсутствии необходимости дополнительной выглаживающей механической обработки.
Выводы
1. Методами магнетронного распыления и электроискрового легирования в вакууме были получены покрытия на основе карбида тантала составов Ta–Zr–Si–B–C и TaC–Fe–Cr–Mo–Ni соответственно. МР-покрытие толщиной 7 мкм состояло из аморфной матрицы на основе TaSi2 c растворенными в ней цирконием и бором, а также кристаллитами TaC размером до 3 нм. ЭИЛ-покрытия толщиной 54 мкм состояли из матрицы на основе альфа-железа, в которой равномерно распределены кристаллиты TaC размером до 30 нм.
2. Концентрация TaC в МР-покрытии оказалась на 30 % выше, чем в ЭИЛ- покрытии, что обеспечило ему повышенную твердость (Н = 28 ГПа против 10 ГПа).
3. Оба покрытия характеризовались низкими значениями коэффициента трения (0,15). Приведенный износ не превышал 10\(^–\)7 мм3/(Н·м), в то время как у стальной подложки он составил 1,2·10\(^–\)3 мм3/(Н·м). Применение разработанных МР- и ЭИЛ-покрытий позволило снизить коэффициент трения в 5 раз и увеличить срок службы стальной клиновой задвижки запорной арматуры на 25 и 70 % соответственно.
Список литературы
1. Barile C., Casavola C., Pappalettera G., Renna G. Advancements in electrospark deposition (ESD) technique: A short review. Coatings. 2022;12(10):1536. https://doi.org/10.3390/coatings12101536
2. Kelly P.J., Arnell R.D. Magnetron sputtering: A review of recent developments and applications. Vacuum. 2000;56(3):159–172. https://doi.org/10.1016/S0042-207X(99)00189-X
3. Kumar S., Singh R., Singh T.P., Sethi B.L. Surface modification by electrical discharge machining: A review. Journal of Materials Processing Technology. 2009; 209(8):3675–3687. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.09.032
4. Chen Z., Zhou Y. Surface modification of resistance welding electrode by electro-spark deposited composite coatings: Part I. Coating characterization. Surface and Coatings Technology. 2006;201(3-4):1503–1510. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.02.015
5. Кудряшов А.Е., Замулаева Е.И., Левашов Е.А., Манакова О.С., Петржик М.И. Применение технологии электроискрового легирования и модифицированных СВС-электродных материалов для повышения стойкости прокатных валков стана горячей прокатки. Ч. 1. Особенности формирования покрытий на подложках из белого чугуна СПХН-60. Электронная обработка материалов. 2018;54(5):43–55. https://doi.org/10.5281/zenodo.1464851
6. Wang B., Wei S., Guo L., Wang Y., Liang Y., Xu B., Pan F., Tang A., Chen X. Effect of deposition parameters on properties of TiO2 films deposited by reactive magnetron sputtering. Ceramics International. 2017;43(14):10991–10998. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.05.139
7. Wenbin F., Mingjiang D., Chunbei W., Mingchun Z., Liang H., Huijun H., Songsheng L. Magnetron sputtering preparation and properties of SiC/MoSi2 oxidation protective coating for carbon/carbon composites prepared. Rare Metallurgical and Materials Engineering. 2016;45(10):2543–2548. https://doi.org/10.1016/S1875-5372(17)30031-0
8. Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Sheveyko A.N., Shvindina N.V., Levashov E.A., Shtansky D.V. Comparative study of Ti–C–Ni–Al, Ti–C–Ni–Fe, and Ti–C–Ni–Al/Ti–C–Ni–Fe coatings produced by magnetron sputtering, electro-spark deposition, and a combined two-step process. Ceramics International. 2018;44(7):7637–7646. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.01.187
9. Кудряшов А.Е., Замулаева Е.И., Левашов Е.А., Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Шевейко А.Н., Швындина Н.В. Применение технологии электроискрового легирования и модифицированных СВС-электродных материалов для повышения стойкости прокатных валков стана горячей прокатки. Ч. 2. Структура и свойства сформированных покрытий. Электронная обработка материалов. 2019;55(2):10–22. https://doi.org/10.5281/zenodo.2629552
10. Soma Raju K.R.C., Faisal N.H., Srinivasa Rao D., Joshi S.V., Sundararajan G. Electro-spark coatings for enhanced performance of twist drills. Surface and Coatings Technology. 2008;202(9):1636–1644. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.07.084
11. Аксенов Л.Б., Петров В.М., Кудряшов А.Е., Галышев А.А. Сравнительная износостойкость покрытий электроискрового легирования c применением СВС-электродов с нанодисперсными модификаторами. Металлообработка. 2010;3(57):15–19.
12. Фомин А.А., Федосеев М.Е., Палканов П.А., Аман А., Кошуро В.А., Шумилин Х.И. Индукционно-термическая обработка стальных пуансонов с металлокерамическими покрытиями и диаграммы предельных деформаций для стали 45. Вестник СГТУ. 2020;1(84):87–92.
13. Yeldose B.C., Ramamoorthy B. An investigation into the high performance of TiN-coated rollers in burnishing process. Journal of Materials Processing Technology. 2008;207(1-3):350–355. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.06.058
14. Kumar C.S., Urbikain G., López de Lacalle L.N., Gangopadhyay S., Fernandes F. Investigating the effect of novel self-lubricant TiSiVN films on topography, diffusion and oxidation phenomenon at the chip-tool interface during dry machining of Ti–6Al–4V alloy. Tribology International. 2023;186:108604. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.108604
15. Schalk N., Tkadletz M., Mitterer C. Hard coatings for cutting applications: Physical vs. chemical vapor deposition and future challenges for the coatings community. Surface and Coatings Technology. 2022;429:127949. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127949
16. Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Шевейко А.Н., Комаров В.А., Блантер М.С., Скрылёва Е.А., Ширманов Н.А., Левашов Е.А., Штанский Д.В. Наноструктурные покрытия
17. Ti–Cr–B–N и Ti–Cr–Si–C–N для твердосплавного режущего инструмента. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2010;(2):39–47.
18. Zeng X.T., Zhang S., Muramatsu T. Comparison of three advanced hard coatings for stamping applications. Surface and Coatings Technology. 2000;127(1):38–42. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(99)00668-4
19. Берлин Е.В., Григорьев В.Ю., Иванов А.В., Исаенкова М.Г., Клюкова К.Е., Столбов С.Д. Структура защитного хромового покрытия, полученного методом термического испарения в магнетронном разряде на оболочечных трубах из сплава Э110. Цветные металлы. 2019;(4):33–40. https://doi.org/10.17580/tsm.2019.04.04
20. Kratochvílová I., Celbová L., Ashcheulov P., Kopeček J., Klimša L., de Prado E., Dragounová K. A., Luštinec J., Macák J., Sajdl P., Škoda R., Bulíř J. Polycrystalline diamond and magnetron sputtered chromium as a double coating for accident-tolerant nuclear fuel tubes. Journal of Nuclear Materials. 2023;578:154333. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2023.154333
21. Рыженков А.В., Медников А.Ф., Григорьев С.В., Тхабисимов А.Б., Качалин Г.В., Логинова Н.А., Милованов О.Ю. Применение ионно-плазменных технологий формирования покрытий для снижения коррозионного и абразивного износа трубных поверхностей нагрева биотопливного котла. Теплоэнергетика. 2023;(10): 34–44. https://doi.org/10.56304/S0040363623100089
22. Yang S., Gao S., Xue W., Wu B., Cheng H., Duan D. Epitaxial growth and oxidation behavior of the NiCoCrAl YTa/Y2O3 coating on a nickel-based single-crystal superalloy blade tips, produced by electro spark deposition. Journal of Alloys and Compounds. 2023;931:167600. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.167600
23. Беляков А.В., Горбачев А.Н., Михайлов В.В., Реутов Б.Ф., Фокин А.А. Установки для формирования эрозионно- и абразивостойких электроискровых покрытий на лопатках паровых турбин тепловых и атомных электростанций. Электронная обработка материалов. 2016; 52(5):79–89.
24. Тарельник В.Б., Паустовский А.В., Ткаченко Ю.Г., Марцинковский В.С., Коноплянченко Е.В., Антошевский К. Электроискровые покрытия на стальной основе и контактной поверхности для оптимизации рабочих характеристик баббитовых подшипников скольжения. Электронная обработка материалов. 2017;53(1):37–46. https://doi.org/10.5281/zenodo.1048993
25. Иванов В.И., Бурумкулов Ф.Х. Об электроискровом способе нанесения толстослойных покрытий повышенной сплошности. Электронная обработка материалов. 2014;50(5):7–12.
26. Величко С.А., Сенин П.В., Иванов В.И., Чумаков П.В. Формирование толстослойных электроискровых покрытий для восстановления изношенных деталей силовых гидроцилиндров. Электронная обработка материалов. 2016;52(5):13–20.
27. Бурумкулов Ф.Х., Иванов В.И., Величко С.А., Ионов П.А., Сульдин С.П. Повышение надежности гидронасосов типа НШ-У электроискровым легированием рабочих поверхностей пар трения. Электронная обработка материалов. 2005;6(41):13–18.
28. Kuptsov K.A., Antonyuk M.N., Sheveyko A.N., Bondarev A.V., Ignatov S.G., Slukin P.V., Dwivedi P., Fraile A., Polcar T., Shtansky D.V. High-entropy Fe–Cr–Ni–Co–(Cu) coatings produced by vacuum electro-spark deposition for marine and coastal applications. Surface and Coatings Technology. 2023;453:129136. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.129136
29. Коротаев Д.Н., Иванова Е.В. Совершенствование технологии электроискрового легирования стальных деталей буровых установок и горнодобывающего оборудования. Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. 2022;64(1):88–97. https://doi.org/10.32454/0016-7762-2022-64-1-88-97
30. Плахотникова Е.В., Елисеева Т.А. Анализ причин нарушения работоспособности электроприводной запорной арматуры. Известия ТулГУ. 2013;(11):352–361.
31. Васильев А.С., Суханов Ю.В., Щукин П.О., Галактионов О.Н. Совершенствование эксплуатационных показателей запорной трубопроводной арматуры. Инженерный вестник Дона. 2014;(3):11.
32. Расулов В.А. К вопросу о надежности и долговечности трубопроводных клиновых задвижек. Вестник арматуростроителя. 2016;5(33):52–53.
33. Казанцев М.Н., Флегентов И.А. Петелин А.Н. Пути повышения надежности запорной арматуры для магистральных трубопроводов (на примере задвижек шиберных). Нефтегазовое дело. 2016;14(4):75–81.
34. Качалин Г.В., Рыженков А.В., Медников А.Ф. Современные ионно-плазменные технологии для упрочнения элементов арматуры оборудования ТЭК. Neftegaz.RU. 2015;(1-2):38–41.
35. Luo H., Yazdi M. A., Chen S., Sun H., Gao F., Heintz O., Monteynard A., Sanchette F., Billard A. Structure, mechanical and tribological properties, and oxidation resistance of TaC/a-C:H films deposited by high power impulse magnetron sputtering. Ceramics International. 2022;46(16, Part A):24986–25000. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.06.284
36. Lasfargues H., Glechner T., Koller C.M., Paneta V., Primetzhofer D., Kolozsvári S., Holec D., Riedl H., Mayrhofer P.H. Non-reactively sputtered ultra-high temperature Hf–C and Ta–C coatings. Surface and Coatings Technology. 2017;309:436–444. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.11.073
37. Kuptsov K.A., Antonyuk M.N., Bondarev A.V., Sheveyko A.N., Shtansky D.V. Electrospark deposition of wear and corrosion resistant Ta(Zr)C–(Fe,Mo,Ni) coatings to protect stainless steel from tribocorrosion in seawater. Wear. 2021;486-487:204094. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.204094
38. Du S., Wen M., Yang L., Ren P., Meng Q., Zhang K., Zheng W. Structural, hardness and toughness evolution in Si-incorporated TaC films. Ceramics International. 2018;44(8):9318–9325. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.02.144
39. Kiryukhantsev-Korneev P.V. Sytchenko A.D. Vorotilo S.A. Klechkovskaya V.V. Lopatin V.Y. Levashov E.A. Structure, oxidation resistance, mechanical, and tribological properties of N- and C-Doped Ta–Zr–Si–B hard protective coatings obtained by reactive D.C. magnetron sputtering of TaZrSiB ceramic cathode. Coatings. 2020;10(10):946. https://doi.org/10.3390/coatings10100946
40. Veprek S., Veprek-Heijman G.J., Karvankova P., Prochazka J. Different approaches to superhard coatings and nanocomposites. Thin Solid Films. 2005;476(1):1–29. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2004.10.053
41. Vorotilo S., Levashov E.A., Kurbatkina V. V., Patsera E.I., Loginov P.A., Lopatin V.Y., Orekhov A.S. Theoretical and experimental study of combustion synthesis of microgradient ULTRA high-temperature ceramics in Zr–Ta–Si–B system Journal of the European Ceramic Society. 2021;41(9):4728–4746. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.03.008
42. Kiryukhantsev-Korneev P. V., Sytchenko A.D., Sviridova T.A., Sidorenko D.A., Andreev N. V., Klechkovskaya V.V., Polčak J., Levashov E.A. Effects of doping with Zr and Hf on the structure and properties of Mo–Si–B coatings obtained by magnetron sputtering of composite targets. Surface and Coatings Technology. 2022;442:128141. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128141
43. Kiryukhantsev-Korneev P.V., Sytchenko A.D., Gorshkov V.A., Loginov P.A, Sheveyko A.N., Nozhkina A.V., Levashov E.A. Complex study of protective Cr3C2–NiAl coatings deposited by vacuum electro-spark alloying, pulsed cathodic arc evaporation, magnetron sputtering, and hybrid technology. Ceramics International. 2022;48(8):10921–10931. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.12.311
44. Kiryukhantsev-Korneev P.V., Pierson J.F., Bychkova M.Y., Manakova O.S., Levashov E.A., Shtansky D.V. Comparative study of sliding, scratching, and impact-loading behavior of hard CrB2 and Cr–B–N Films. Tribology Letters. 2016;63(3):44. https://doi.org/10.1007/s11249-016-0729-0
45. Levashov E.A., Shtansky D.V., Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Petrzhik M.I., Tyurina M.Y., Sheveyko A.N. Multifunctional nanostructured coatings: Formation, structure, and the uniformity of measuring their mechanical and tribological properties. Russian Metallurgy (Metally). 2010(10);917–935. https://doi.org/10.1134/S0036029510100113
46. Abadias G., Chason E., Keckes J., Sebastiani M., Thompson G.B., Barthel E., Doll G.L., Murray C.E., Stoessel C.H., Martinu L. Stress in thin films and coatings: Current status, challenges, and prospects. Journal of Vacuum Science & Technology A. Vacuum Surfaces and Films. 2018;36(2):020801. https://doi.org/10.1116/1.5011790
47. Paustovskii A.V., Gubin Y.V. Stresses in coatings obtained by electro-spark alloying and laser processing (review). Journal of Materials Science. 1997;33(6):770–776. https://doi.org/10.1007/BF02355555
48. Chen Z., Zhou N. Surface modification of resistance welding electrodes by electro-spark deposited coatings. Part I. Coating characterization. Surface and Coatings Technology. 2006;201(3-4):1503–1510. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.02.015
49. StainlessSteel PH1: нержавеющая сталь. https://can-touch.ru/3d-printing-stainlesssteel-ph1/ (Дата обращения 07.05.2023).
50. Hu J., Li H., Li J., Huang J., Kong J., Zhu H., Xiong D. Structure, mechanical and tribological properties of TaCx composite films with different graphite powers. Journal of Alloys and Compounds. 2020;832:153769. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.153769
51. Du S., Zhang K., Wen M., Qin Y., Li R., Jin H., Bao X., Ren P., Zheng W. Optimizing the tribological behavior of tantalum carbide coating for the bearing in total hip joint replacement. Vacuum. 2018;150:222–231. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2018.01.050
52. Pogrebnjak A.D., Beresnev V.M. Hard nanocomposite coatings, their structure and properties. Nanocomposites – New Trends Dev. 2012;517:1–38. https://doi.org/10.5772/50567
53. Musil J., Zeman P., Baroch P. Hard Nanocomposite Coatings. Comprehensive Materials Processing. 2014;4: 325–353. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-096532-1.00416-7
54. Sánchez-López J.C., Martínez-Martínez D., López-Cartes C., Fernández A. Tribological behaviour of titanium carbide/amorphous carbon nanocomposite coatings: From macro to the micro-scale. Surface and Coatings Technology. 2008;202(16):4011–4018. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.02.012
Об авторах
А. Д. Сытченко
Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»
Россия
Россия
Алина Дмитриевна Сытченко – мл. науч. сотрудник лаборатории «In situ диагностика структурных превращений» научно-учебного центра (НУЦ) СВС, МИСИС–ИСМАН
Россия, 119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4 стр. 1
М. Н. Фатыхова
Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»
Россия
Россия
Мария Николаевна Фатыхова – мл. науч. сотрудник лаборатории «In situ диагностика структурных превращений» НУЦ СВС
Россия, 119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4 стр. 1
В. П. Кузнецов
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия
Россия
Виктор Павлович Кузнецов – д.т.н., профессор кафедры термообработки и физики металлов
Россия, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19
К. А. Купцов
Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»
Россия
Россия
Константин Александрович Купцов – к.т.н., ст. науч. сотрудник НУЦ СВС
Россия, 119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4 стр. 1
М. И. Петржик
Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»
Россия
Россия
Михаил Иванович Петржик – д.т.н., профессор кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ МИСИС; вед. науч. сотрудник лаборатории «In situ диагностика структурных превращений» НУЦ СВС
Россия, 119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4 стр. 1
А. Е. Кудряшов
Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»
Россия
Россия
Александр Евгеньевич Кудряшов – к.т.н., вед. науч. сотрудник лаборатории «In situ диагностика структурных превращений» НУЦ СВС
Россия, 119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4 стр. 1
Ф. В. Кирюханцев-Корнеев
Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»
Россия
Россия
Филипп Владимирович Кирюханцев-Корнеев – д.т.н., доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ МИСИС; зав. лабораторией «In situ диагностика структурных превращений» НУЦ СВС
Россия, 119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4 стр. 1
Рецензия
Для цитирования:
Сытченко А.Д., Фатыхова М.Н., Кузнецов В.П., Купцов К.А., Петржик М.И., Кудряшов А.Е., Кирюханцев-Корнеев Ф.В. Покрытия на основе карбида тантала, полученные методами магнетронного распыления и электроискрового легирования, для повышения износостойкости деталей запорной арматуры. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2023;17(3):67-78. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2023-3-67-78
For citation:
Sytchenko A.D., Fatykhova M.N., Kuznetsov V.P., Kuptsov K.A., Petrzhik M.I., Kudryashov A.E., Kiryukhantsev-Korneev P.V. TaC-based wear-resistant coatings obtained by magnetron sputtering and electro-spark deposition for wedge gate valve protection. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings. 2023;17(3):67-78. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2023-3-67-78
Просмотров:
618
Послать статью по эл. почте 