Сибирские ученые вдвое повысили износостойкость титана

Исследователи из Института теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН разработали новый композиционный материал, объединив титан с частицами карбида бора. Полученный с помощью технологий 3D-печати композит обладает повышенной износостойкостью, вдвое превосходящей показатели обычных титановых сплавов.

Один из эффективных способов получения металлокерамических композитов — армирование металлических матриц керамическими частицами. Эта технология используется и учеными ИТПМ СО РАН: специалисты повысили свойства классического титанового сплава ВТ6 добавлением керамических частиц карбида бора. В сравнению с исходным сплавом ВТ6 износостойкость композита увеличилась примерно вдвое, так как карбид бора обладает рекордной твердостью среди известных керамик, сообщает издание «Наука в Сибири».

Важно было не только создать сам композит, но и разработать эффективный способ его нанесения, гарантирующий высокое качество покрытий. Ученые создают опытные образцы с помощью 3D-печати методом прямого лазерного выращивания, где роль 3D-принтера выполняет роботизированный комплекс. Основа установки — мощный волоконный лазер, закрепленный на подвижном роботе-манипуляторе с соплом, через которое струей газа подается порошок. Лазер плавит титановую основу, из-за чего образуется небольшая зона жидкого металла, куда из сопла подается порошковая смесь. Затвердевая слой за слоем, металл образует изделие заданной формы.

«Главная сложность при работе с керамикой — трещины. При наплавлении слоев материал растрескивался, необратимо теряя уникальные свойства. Из-за таких дефектов композит становился полностью непригодным, восстановлению он уже не подлежал. Чтобы решить проблему, мы создали специальное устройство — модуль подогрева подложки. Модификация установки поддерживает температуру подложки, на которую наносится материал, вблизи 500°C. Благодаря этому скорость охлаждения слоев заметно снижается, трещины больше не возникают, однако прорыв даже не в том, что нам удалось получить композит без дефектов. Теперь мы можем создавать изделия при практически любом технологическом режиме установки, что позволит впервые варьировать свойства металлокерамических изделий во время синтеза», — рассказал младший научный сотрудник ИТПМ СО РАН Илья Герцель.

Определив температура подложки, при которой получаются образцы без трещин, можно варьировать энергию, передаваемую с помощью лазерного излучения. Иногда случалось так, что керамика полностью растворялась в металле, превращаясь в единую массу, иногда наоборот оставалась отдельной частичкой и никак не смешивалась с основой. Ученые нашли середину: теперь керамические частицы покрыты тонким слоем, благодаря которому не теряют свои свойства, но крепко соединены с основным материалом.

Сценарии растворения керамических частиц при различных условиях синтеза: минимальная степень растворения (a), образование химической межфазной границы (б), чрезмерное растворение с фрагментацией частиц B4C (в)

После нанесения покрытия специалисты приступают к исследованию материала. Сначала образец шлифуется и полируется до зеркальной гладкости. Это важно, потому что необходимо изучить внутреннюю структуру материала, а не поверхностные неровности. Затем проводится металлографический анализ, позволяющий исследовать зерна материала, твердые включения и другие особенности внутренней структуры.

«Мы заметили тонкий промежуточный слой между титаном и керамикой на электронном микроскопе. Дело в том, что на снимке тяжелые атомы выглядят светлыми, легкие — темными, а эта прослойка отличалась от привычных соединений, которые легко распознать визуально. Тогда мы провели специальный спектральный анализ (EDX). Результаты показали наличие большого количества титана и компонентов керамики — бора и углерода, однако точность метода ограничена, поэтому решили воспользоваться другим способом — дифракцией синхротронного излучения. Для этого нужно взять кусочек образца, направить сквозь него узкий луч рентгена и наблюдать, как лучи, проходя сквозь материал, образуют на детекторе так называемые кольца Дебая. По результатам анализа мы определяем точную структуру вещества», — пояснил Илья Герцель.

Ученые сравнили экспериментальные результаты с базами данных и поняли, что обнаруженное вещество отличается от известных соединений. Более глубокое исследование показало, что нечто похожее ранее предположил академик Геннадий Швейкин, один из основоположников химии твердого тела в России. Он считал возможным существование соединения, образованного титаном, бором и углеродом.

Поскольку созданный образец продемонстрировал отличную стойкость к механическим нагрузкам, специалисты внимательно рассмотрели его кристаллическую структуру. Дополнительно в химической базе данных нашли сходство с известным соединением, что окончательно доказало гипотезу: найденная прослойка — особое трехкомпонентное соединение, которое играет роль оболочки.

Новый композит перспективен для защиты многих деталей летательных аппаратов, испытывающих трение или соприкасающихся с абразивами, такими как пыль или песок. Особенно полезен он будет в конструкциях, где требуется не только высокая износостойкость, но и низкая удельная плотность. Материал можно использовать в качестве защитного покрытия, продлевающего сроки службы наиболее уязвимых компонентов.

«Результаты нашего исследования, как нам представляется, могут повлиять на понимание процессов синтеза металлокерамики. Наблюдение прослойки в одной из систем может свидетельствовать о ее наличии и в других родственных системах. Это, в свою очередь, позволяет надеяться на продвижение в области управляемого синтеза композитов с прогнозируемыми свойствами. Сейчас наши силы направлены на верификацию полученных результатов в системах, не менее актуальных в промышленности. Как следует из полученных результатов, синхротронное излучение играет существенную роль в решении задач материаловедения. Можно предположить, что развитие соответствующих методик на станциях ЦКП «Скиф» способно обеспечить не только углубленное изучение сложных химических систем, но и создать предпосылки для новых промышленных решений», — рассказал Илья Герцель.

Доклад научной команды опубликован в журнале Surfaces and Interfaces.  

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru