CC BY
0
УДК 621.762, 537.523.4
Электроискровое осаждение Ti-Ta покрытий на титановый сплав Ti6Al4V: жаростойкость и трибологические свойства
112 1 А.А. Бурков , С.В. Николенко , В.О. Крутикова , Н.А. Шельменок
1 Хабаровский федеральный исследовательский центр ДВО РАН, Хабаровск, 680042, Россия
2 Институт тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН, Хабаровск, 680000, Россия
Методом электроискрового легирования титанового сплава Ti6Al4V в анодной смеси титановых гранул с порошком тантала было проведено нанесение Ti-Ta покрытий в среде аргона. Были изучены кинетика массопереноса, структура, фазовый состав, жаростойкость, микротвердость и трибологические свойства покрытий. С ростом концентрации тантала в анодной смеси суммарный привес катода за 10 мин обработки монотонно возрастал. Средняя толщина приготовленных покрытий находилась в диапазоне от 30.9 до 39.1 мкм. Было установлено, что концентрация тантала в составе покрытий возрастала с ростом концентрации тантала в анодной смеси. Структура покрытий была плотной без продольных и поперечных трещин. Показано, что при избытке танталового порошка в анодной смеси не хватает энергии разряда на его полное расплавление. Фазовый состав представлен наличием a-Ti и ОЦК твердого раствора тантала в P-Ti, с ростом концентрации порошка в анодной смеси интенсивность рефлексов ОЦК-фазы увеличивалась относительно рефлексов a-Ti. Поверхность Ti-Ta покрытий обладает более высокой гидрофобностью, по сравнению с исходным титановым сплавом. Применение предложенной методики позволяет осаждать Ti-Ta покрытия, обладающие до 5.9 раза более высокой жаростойкостью, по сравнению со сплавом Ti6Al4V. Высокая жаростойкость Ti-Ta покрытий объясняется формированием плотного и прочного оксидного слоя TiO2. Микротвердость поверхности Ti-Ta покрытий находилась в диапазоне от 4.72 до 4.91 ГПа. Коэффициент трения Ti-Ta покрытий находился в диапазоне от 0.87 до 0.97. Износостойкость поверхности танталовых покрытий была от 23 до 36 раз выше, чем у исходного титанового сплава.
Ключевые слова: тантал, Ti-Ta покрытие, сплав Ti6Al4V, электроискровое легирование, жаростойкость, твердость, износ
DOI 10.55652/1683-805X_2024_27_3_159-168
Electrospark deposition of Ti-Ta coatings on Ti6Al4V titanium alloy: Oxidation resistance and wear properties
A.A. Burkov1, S.V. Nikolenko1, V.O. Krutikova2, and N.A. Shelmenok1
1 Institute of Materials Science, Khabarovsk Federal Research Center, FEB RAS, Khabarovsk, 680042, Russia 2 Institute of Tectonics and Geophysics, FEB RAS, Khabarovsk, 680000, Russia
Ti-Ta coatings were deposited on titanium alloy by electrospark deposition in an anode mixture of titanium granules and tantalum powder in an argon atmosphere. The cathode gain kinetics, tantalum concentration, structure, oxidation resistance, microhardness and tribotechnical properties of the coatings were studied. It was shown that with increasing tantalum concentration in the anode mixture, the net cathode gain during 10 min of treatment increased monotonically. The average thickness of the deposited coatings varied in the range from 30.9 to 39.1 ^m. The concentration of tantalum in the coating composition increased with increasing tantalum powder concentration in the anode mixture. The coating structure was dense without longitudinal and transverse cracks. With an excess of tantalum powder in the anode mixture, the discharge energy was not enough to completely melt it. The phase composition included a-Ti and a bcc tantalum solid solution in p-Ti. With increasing powder concentration in the anode mixture, the intensity of the bcc-phase peaks increased relative to the a-Ti peaks. The surface hydrophobicity of Ti-Ta coatings was higher than that of un-coated Ti6Al4V titanium alloy. The developed technique can be used to produce Ti-Ta coatings with up to 5.9 times higher oxidation resistance compared to Ti6Al4V alloy. The high oxidation resistance of Ti-Ta coatings is explained by the formation of a dense and durable TiO2 layer. The surface microhardness of Ti-Ta coatings ranged from 4.72 to 4.91 GPa. The friction coefficient was in the range of 0.87-0.97. The wear resistance was from 23 to 36 times higher as compared to the titanium alloy.
Keywords: tantalum, Ti-Ta coating, Ti6Al4V alloy, electrospark deposition, oxidation resistance, hardness, wear
© Бурков А.А., Николенко С.В., Крутикова В.О., Шельменок Н.А., 2024
1. Введение
Тантал привлекает широкое внимание исследователей благодаря высокой коррозионной стойкости, износостойкости и превосходной биосовместимости [1, 2]. Тантал считается одним из наилучших биоматериалов, способствующих адгезии, остеоинтеграции, пролиферации и диффе-ренцировке клеток, и применяется в различных медицинских целях, таких как ортопедия, одонтология и катетеризация стентов [3, 4]. Однако применение изделий из тантала ограничено из-за его высокой плотности и стоимости. Поэтому перспективно использовать танталовое покрытие, которое может быть нанесено на различные металлические подложки с сохранением желаемых характеристик поверхности при меньшей стоимости. Так, танталовое покрытие на титановом сплаве Т16Л14У характеризуется высокой твердостью от 7 до 13 ГПа [5]. Хорошо известно, что титановые сплавы, такие как Т16Л14У, широко используются для несущих имплантатов, но выделение токсичных элементов, таких как Л1 и V, а также плохая способность к остеоинтеграции вызывают асептическое расшатывание имплантатов, что в той или иной степени ограничивает применение титановых сплавов. Танталовое покрытие ограничивает выделение токсичных элементов, а также улучшает адгезию и пролиферацию клеток на поверхности титанового сплава Ti6A14V [4, 6]. Кроме того, тантал способен улучшить жаростойкость титановых сплавов за счет допирования рутила пятивалентным танталом [6].
Танталовые покрытия наносят на титановые сплавы методами магнетронного напыления [4, 5, 7, 8], плазменного распыления [9], химического осаждения из газовой фазы (СУБ) [1], лазерной наплавкой [10, 11], электроразрядной обработкой в жидкости [12] и электроискровым легированием [13]. Вместе с тем фокус подавляющего большинства исследований по танталовым покрытиям нацелен на биомедицинскую область, и поэтому недостаточно изучена жаростойкость Т>Та покрытий на титановом сплаве и трибологические свойства в режиме сухого скольжения.
Электроискровое легирование относят к перспективным способам нанесения защитных покрытий [14]. Процесс электроискрового легирования физически основан на искровом разряде в газовой среде, при котором преимущественно эродирует материал анода и продукты эрозии переносятся в микрованну расплава на катоде [14]. На поверхности катода образуется покрытие моди-
фицированной структуры и состава, что обусловлено конвективным перемешиванием металлов в микрованне расплава и высокими скоростями охлаждения материала после окончания разряда [15]. Преимуществом электроискрового легирования являются простота технологического процесса и высокая адгезия покрытий за счет металлургической связи с подложкой, тогда как недостатки включают низкую производительность и сложность автоматизации при обработке криволинейных поверхностей [16, 17]. Видоизмененный метод электроискрового легирования нелокализо-ванным электродом позволяет обрабатывать криволинейные поверхности деталей с повышенной производительностью [18]. Такой способ электроискрового легирования имеет ряд преимуществ, поскольку позволяет использовать порошки в качестве основного компонента покрытий [19]. Ранее методом традиционного электроискрового легирования наносили тантал на поверхность титанового сплава ВТ20 в среде воздуха, но в ходе протекания разрядов металлы взаимодействовали с азотом воздуха с образованием нитридов и благодаря этому твердость Т>Та покрытий достигала 8.93-11.45 ГПа [13], а также не исследовали жаростойкость и триботехнические свойства модифицированной поверхности. Цель работы — обобщение особенностей изменения состава, структуры и свойств покрытий в зависимости от концентрации порошка тантала в анодной смеси.
2. Экспериментальная часть
В качестве нелокализованного электрода использовались анодные смеси (АС) из титановых гранул из сплава ВТ1-00 с добавлением разного количества порошка тантала (ТУ 95.250-82) чистотой 99.99 %, состоящего из частиц диаметром 22.7 ± 12.8 мкм (табл. 1). Гранулы были изготовлены в форме цилиндров длиной 4± 1 мм из прутков титанового сплава ВТ1-00 диаметром 4.0 ± 0.5 мм. Подложка (катод) была изготовлена в форме цилиндра (ё = 12.0 ± 0.1, И = 10.0 ± 0.5 мм) из титанового сплава ^6Л14У.
Схема установки для порошкового электроискрового легирования нелокализованным электродом подробно описана в работе [20]. Гранулы и порошок засыпались в титановый контейнер, установленный под углом 40° и соединенный с двигателем, вращающим его с частотой 1 об/с. В качестве источника импульсного напряжения длительностью 200 мкс и частотой 1000 Гц использо-
Таблица 1. Состав анодных смесей, обозначение покрытий и их характеристики
Обозначение образцов Гранулы ВТ1-00, об. % Порошок тантала, об. % Толщина, мкм Шероховатость Ra, мкм Угол смачивания дистиллированной водой
Ta2 98 2 39.1 ± 11.6 4.2 ± 0.6 89.7° ± 2.6°
Ta4 96 4 37.8 ± 10.4 4.4 ± 0.9 80.3° ± 1.5°
Ta6 94 6 30.9 ± 9.3 4.8 ± 0.8 82.5° ± 3.0°
вался генератор IMES-40, который вырабатывал прямоугольные импульсы амплитудой 110 А, при напряжении 30 В. В рабочий объем контейнера подавался аргон со скоростью 5 л/мин.
Общее время нанесения покрытия составляло 10 мин. Кинетика массопереноса исследовалась поочередным взвешиванием катода через каждые 2 мин электроискрового легирования на аналитических весах Vibra HT120 с точностью 0.1 мг. Для обеспечения воспроизводимости результатов привес катода был исследован для трех образцов из каждой серии. Для исследования фазового состава образцов использовался рентгеновский диф-рактометр ДРОН-7 в Cu-Ka излучении в диапазоне углов 29 = 20°-90°. Микроструктура покрытий исследовалась с применением сканирующего электронного микроскопа Vega 3 LMH (Tescan, Чехия), оснащенного энергодисперсионным спектрометром (ЭДС) X-max 80 (Oxford Instruments, Великобритания). Для подготовки поперечных сечений покрытий образцы шлифовались до бумаги P2500, а затем полировались с использованием алмазных паст зернистостью 2.5, 1.0 и 0.5 мкм (КНР). Шероховатость покрытий была измерена на профилометре мод. 296 (СССР). Краевой угол смачивания дистиллированной водой определяли методом «сидячей капли» [21]. Микротвердость покрытий измерялась на микротвердомере ПМТ-3М при нагрузке 0.5 Н по методу Виккерса. Износостойкость и коэффициент трения образцов исследовались, следуя процедуре ASTM G99-17 при сухом трении скольжения на скорости 0.47 мс-1 при нагрузке 25 Н. Время тестирования составляло 10 мин. В качестве контртела использовались диски из быстрорежущей стали М45 с твердостью 60 HRC. Износ измеряли гравиметрическим способом. Объем износа рассчитывался через плотность покрытий, вычисленную исходя из их среднего химического состава, по правилу смеси. Образец каждого типа испыты-вался по меньшей мере четырехкратно. Испытания на циклическую жаростойкость проводили при температуре 900 °С, помещая образцы в разо-
гретую муфельную печь, и по прошествии ~6 ч их перекладывали в эксикатор до полного остывания, а затем взвешивали. В процессе испытания образцы находились в корундовых тиглях для учета массы отслоившейся окалины. Общее время испытания составляло 100 ч.
3. Результаты и обсуждение
Экспериментальный подход к выбору материала электродов (катод, гранулы, порошок) при электроискровом легировании нелокализованным электродом заключается в изучении кинетики привеса катода. Если привес катода несущественный или даже отрицательный, то применение электроискрового легирования нелокализован-ным электродом неэффективно, поскольку подложка подвергается электрической эрозии [18]. При смешивании с титановыми гранулами частицы порошка тантала прикреплялись к поверхности электродов за счет силы поверхностного натяжения. Известно, что присутствие частиц на поверхности электродов улучшает условия возникновения электрических разрядов за счет возрастания напряженности электрического поля [22]. Однако влияние природы частиц на этот процесс изучено недостаточно. Нами ранее было показано, что внесение в анодные смеси карбидов переходных металлов улучшает условия возникновения электрических разрядов [23]. При прохождении разряда в ходе электроискрового легирования нелокализованным электродом происходил жид-кофазный перенос титана с поверхности гранул на поверхность подложки. Частицы тантала, оказавшиеся в межэлектродном промежутке, смешивались с жидким титаном в микрованне расплава и фиксировались в верхних слоях подложки. При постоянном перемешивании гранул след разряда вновь покрывался частицами порошка, и возникали новые разряды. В результате многократного повторения этого цикла формировалось Т1-Та покрытие. На рис. 1 показаны графики привеса подложек в процессе электроискрового осаждения
6
О*-1-1-1-1-г-
0 2 4 6 8 10
Время обработки, мин
Рис. 1. Изменение привеса подложек в ходе осаждения покрытий (цветной в онлайн-версии)
покрытий. С ростом времени обработки суммарный привес катода монотонно увеличивался. Для всех анодных смесей наблюдалось замедление привеса катода с ростом времени обработки, что также характерно для традиционного электроискрового легирования [24]. Суммарный привес катода за 10 мин электроискрового легирования не-локализованным электродом монотонно возрастал от 3.85 до 5.59 мг/см2 с увеличением концентрации тантала в анодных смесях.
На рис. 2 показаны электронные изображения поперечного сечения покрытий Та2 и Та6 в режиме обратно отраженных электронов. Средняя толщина покрытий немонотонно снижалась от 39.1 до 30.9 мкм с увеличением концентрации тантала в анодной смеси (табл. 1), что идет в разрез с данными по привесу катода (рис. 1). Такое несоответствие можно объяснить тем, что при увеличении концентрации порошка в анодных смесях
Д мкм Ь, мкм
Рис. 2. Изображения поперечного сечения покрытий Та2 (а), Та6 (б) в режиме фазового контраста и распределение элементов по глубине соответствующих покрытий (в, г) (цветной в онлайн-версии)
• ОЦК А а-Т1
| — Та2 1 - Та4
• 1 , # . та6
20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90° 20
возрастала доля энергии разряда, затрачиваемая на нагрев и плавление частиц тантала, а кроме того частицы выступали теплоизолятором, что снижало долю энергии, затрачиваемую на плавление катода и соответственно глубина его проплавле-ния снижалась. Структура поперечного сечения образцов представлена светлым слоем ТьТа сплава. В переходной области между покрытием и темной титановой подложкой наблюдаются линии разного контраста, демонстрирующие конвективное перемешивание тантала с титаном (рис. 2, а, б). Покрытие Та2 более однородно по сравнению с Таб. Покрытие Та2 имеет плотную структуру с малым количеством пор. Отсутствие поперечных и продольных трещин на границе раздела покрытие-подложка, указывает на хорошее соответствие теплофизических характеристик ТьТа композиции и сплава Т16Л14У. В микроструктуре покрытия Та6 наблюдаются крупные неоднородности состава и поры в местах скопления тантала (рис. 2, б, г), которые указывают на нехватку энергии разряда для полного расплавления частиц тантала. Таким образом, при текущей энергии разрядов максимальная концентрация порошка Та в анодных смесях не должна превышать 6 об. %. Вероятно, что применение более дисперсного порошка позволило бы получить более гомогенную структуру ТьТа покрытий. В покрытии Та6 на границе раздела танталовых скоплений с богатой титаном матрицей наблюдаются участки ячеистых и столбчатых кристаллитов.
Согласно данным ЭДС-анализа, при увеличении добавки порошка в анодных смесях содержание тантала в составе покрытий увеличивалось (рис. 2, в, г). В покрытии Та2 средняя концентрация тантала составляла 12.2 ± 1.4 ат. %, в покрытии Та6 — 59.9 ± 22.4 ат. %. В верхних слоях покрытия Та6 наблюдаются крупные скопления ТьТа сплава, богатые танталом. Высокая концентрация тантала в этих скоплениях объясняется тем, что порошковая форма металла гораздо активнее участвует в формировании покрытия по сравнению с объемными электродами при электроискровом легировании нелокализованным электродом [25]. Гранулы выступают токопрово-дами и слабо отдают свой металл в покрытие, поскольку накопили в своей вторичной структуре много материала порошка. Характерно, что концентрация алюминия в покрытиях Та2 и Та6 находилась в диапазоне от 0.22 до 1.18 ат. %, что во много раз ниже, чем в исходном сплаве
Рис. 3. Рентгеновские дифрактограммы покрытий на
сплаве Т16Л14У (цветной в онлайн-версии)
Т16Л14У. Как известно, в условиях имплантации алюминий активно выделяется из сплава Т16Л14У в биологические среды и может оказывать токсическое воздействие на организм пациента [26]. Таким образом, нанесение ТьТа покрытий на им-плантат может существенно снизить выделение алюминия.
Рентгеновские дифрактограммы образцов показывают присутствие фаз а-Т и объемно-центрированной кубической (ОЦК), которая представляет собой твердый раствор тантала в Р-Т1 (рис. 3). Характерно, что рефлексы фаз Та и р-Т1 для всех кристаллографических направлений совпадают с точностью до 0.12°. Известно, что тантал стабилизирует фазу Р-Т1, повышая ее устойчивость [5]. Согласно диаграмме состояния тантал-титан растворимость тантала в а-Т не превышает 3.2 ат. %, тогда как в Р-Т1 тантал растворяется неограниченно [27]. Поскольку по результатам ЭДС-анализа концентрация Та в покрытиях значительно превышала 3.2 ат. %, сделан вывод о том, что в покрытиях должна формироваться структура ОЦК твердого раствора на основе Та и Т1. Согласно результатам полуколичественного рентгенофазового анализа, при повышении содержания порошка тантала в анодных смесях с 2 до 6 об. % концентрация ОЦК-фазы в покрытиях увеличивалась 58.5 до 62.7 об. % (табл. 2). Очевидно, что по результатам полуколичественного анализа концентрация ОЦК-фазы возрастает слабо с ростом концентрации порошка в анодных
Таблица 2. Данные полуколичественного анализа покрытий
Образцы Фаза, об. %
a-Ti ОЦК
Ta2 41.6 ± 6.5 58.5 ± 6.5
Ta4 39.3 ± 8.2 60.7 ± 8.2
Ta6 37.3 ± 5.5 62.7 ± 5.5
смесях, тогда как по данным ЭДС-анализа концентрация тантала увеличивается в несколько раз (рис. 2, в, г). Это несоответствие можно объяснить тем, что рефлексы максимальной интенсивности кубической фазы и a-Ti на дифракционном спектре расположены близко друг к другу: 38.61° и 40.15° соответственно. Поэтому полуколичественный рентгенофазовый анализ Ti-Ta покрытий характеризуется низкой точностью.
Угол смачивания дистиллированной водой находился в диапазоне от 80.3° до 89.7° (табл. 1), с максимумом у образца Ta2, что значительно выше по сравнению с титановым сплавом (57.5°). Таким образом, нанесение Ti-Ta покрытий придает гидрофобные свойства поверхности титанового сплава, что должно снижать накопление загрязнений и вызванную этим коррозию. Это согласуется с данными работы [2], где угол смачивания дистиллированной водой чистого тантала достигал 83.3°.
На рис. 4, а показано изменение массы образцов с покрытиями и сплава Ti6Al4V с ростом времени выдержки при температуре 900 °С. Привес
обусловлен фиксацией кислорода на поверхности образцов в виде рутила и оксида тантала Ta2O5 с образованием слоя окалины (рис. 4, б). Высокотемпературное окисление образцов Ta2 и Ta4 было схожим, судя по близким значениям привеса. За 100 ч испытаний привес образцов с покрытиями Ta2 и Ta4 был в 5.9 раза меньше по сравнению со сплавом Ti6Al4V без покрытия. В случае покрытия Ta6 его привес за первый цикл испытаний был наибольшим среди покрытий, но значительно ниже, чем у титанового сплава, однако после 33 ч высокотемпературной выдержки его привес ускорился и приобрел линейный характер. В итоге за 100 ч испытаний его привес обогнал привес титанового сплава. Визуальный осмотр показал, что с образца Ta6 интенсивно отслаивались слои окалины, в отличие от образцов Ta2 и Ta4. Это отразилось в отсутствии фазы Ta2O5 на поверхности образца Ta6 после испытания на жаростойкость (рис. 4, б). Предположительно, отслоение на образце Ta6 возникло из-за высоких градиентов в концентрации тантала (рис. 2, г). В этих условиях отслоение может быть связано с большими напряжениями на границе слоев оксидов титана и тантала из-за объемных эффектов формирования оксидов. Это приводит к выводу, что наиболее плотные оксидные слои формировались на образцах Ta2 и Ta4. Высокую жаростойкость танталовых покрытий наблюдали в работе [28]. Повышенная жаростойкость Ti-Ta покрытий объясняется легированием решетки TiO2 путем частичной замены Ti4+ на Ta5+ в решетке рутила, что за-
Рис. 4. Жаростойкость Ti-Ta покрытий при температуре 900 °С (а) и рентгеновские дифрактограммы покрытий после испытания на жаростойкость (б) (цветной в онлайн-версии)
Рис. 5. Микротвердость Ti-Ta покрытий на сплаве Ti6Al4V (цветной в онлайн-версии)
медляет диффузию кислорода [7, 29]. Таким образом, с позиции достижения максимальной жаростойкости Ti-Ta покрытий оптимальная концентрация порошка тантала в анодных смесях находится в диапазоне от 2 до 4 об. %.
Как показано на рис. 5, микротвердость поверхности Ti-Ta покрытий находилась в узком диапазоне от 4.72 до 4.91 ГПа. В работе [6] средняя твердость лазерного Ti-Ta покрытия состав-
ляла 3.84 ГПа. Таким образом, нанесение Ti-Ta покрытий позволяет повысить твердость поверхности сплава Ti6Al4V до 2 раз.
Кривые коэффициента трения Ti-Ta покрытий в зависимости от пути скольжения представлены на рис. 6, а. С ростом концентрации тантала в анодных смесях средние значения коэффициента трения покрытий в режиме сухого скольжения монотонно снижались от 0.97 до 0.87. Коэффициент трения всех покрытий был на 30 % выше, чем у титанового сплава Ti6Al4V. В работе [30] коэффициент трения магнетронного танталового покрытия на титановом сплаве составлял 0.52.
Результаты испытания Ti-Ta покрытий на износ в режиме сухого скольжения показаны на рис. 6, б. Интенсивность изнашивания Ti-Ta покрытий была от 23 до 36 раз ниже по сравнению с титановым сплавом Ti6Al4V. Причем значения приведенного износа монотонно снижались с 7.35 • 10-6 до 4.73 • 10-6 мм3/(Н • м). Несмотря на невысокую твердость и высокие значения коэффициента трения Ti-Ta покрытия продемонстрировали высокую износостойкость, сопоставимую с металлокерамическими покрытиями [31]. Высокая износостойкость Ti-Ta покрытий согласуется с результатами ряда работ [30, 32] и объясняется достаточно высокой твердостью и трещиностой-костью. Кроме того, износостойкость танталовых покрытий часто принято объяснять формированием оксидов тантала при кратковременном разо-
Рис. 6. Коэффициент трения (а) и приведенный износ (б) покрытий по сравнению со сплавом ^6А14У лайн-версии)
Таб
(цветной в он-
Рис. 7. Изображения отпечатков при увеличении 1000* после индентирования покрытий Та2 (а), Та4 (б) и Та6 (в) при нагрузке 5 Н (цветной в онлайн-версии)
греве локальных участков покрытия, сопряженных с контртелом в процессе трения, обладающих антифрикционным действием [30]. Однако высокие коэффициенты трения исследуемых TiTa покрытий не укладываются в эту гипотезу.
Для объяснения высокой износостойкости разработанных Ti-Ta покрытий были проведены дополнительные исследования их трещиностойкос-ти. Известно, что при индентировании материалов по методу Виккерса образуются трещины по углам отпечатков, длина которых обратно пропорциональна вязкости разрушения К1С [32]. Кроме того, существует методика оценки трещино-стойкости материалов, основанная на количестве трещин, исходящих от отпечатка, полученного при средних нагрузках. Поэтому проводилось ин-дентирование Ti-Ta покрытий на микротвердомере ПМТ-3М при различных нагрузках, но было обнаружено, что трещины не образуются даже при максимально допустимой нагрузке 5Н, как показано на рис. 7. При этом известно, что для многих материалов трещины обнаруживаются при более низких нагрузках [33]. Это свидетельствует о высокой вязкости разрушения разработанных Ti-Ta покрытий, что объясняет их высокую износостойкость.
4. Заключение
Методом электроискровой обработки титанового сплава в анодной смеси титановых гранул с порошком тантала впервые приготовлены Ti-Ta покрытия толщиной 30.9-39.1 мкм. Суммарный привес катода за 10 мин обработки монотонно возрастал с ростом концентрации тантала в анодной смеси. Концентрация тантала в составе покрытий также возрастала. Покрытия имеют плотную структуру без продольных и поперечных трещин. Показано, что концентрация танталового порошка в анодной смеси не должна превышать 6 об. %, поскольку энергии применяемого разряда не хватает на полное расплавление частиц и в покрытии формируются поры. Нанесение Ti-Ta покрытий повышает гидрофобность поверхности титанового сплава Ti6Al4V. Высокая жаростойкость Ti-Ta покрытий объясняется формированием плотного и прочного оксидного слоя TiO2, до-пированного ионами Ta5+. Применение предложенной методики осаждения Ti-Ta покрытий позволяет повысить жаростойкость титанового сплава до 5.9 раза. Микротвердость поверхности Ti-Ta покрытий находилась в диапазоне от 4.72 до
4.91 ГПа. Коэффициент трения титанового сплава с Ti-Ta покрытиями находился в диапазоне от
0.87.до 0.97. Несмотря на это износостойкость танталовых покрытий была от 23 до 36 раз выше по сравнению с титановым сплавом благодаря высокой вязкости разрушения.
Финансирование
Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России № 075-01108-23-02 (тема № 123020700174-7).
Литература
1. Li X., Wang C., Liang A. Friction and wear behaviors of Ta-based nanocrystalline composite coating under extreme sliding conditions // Surf. Coat. Technol. -2023. - V. 465. - P. 129607. - https://doi.org/10.1016/ j.surfcoat.2023.129607
2. Yu X., Tan L., Yang H., Yang K. Surface characterization and preparation of Ta coating on Ti6Al4V alloy // J. Alloy. Compds. - 2015. - V. 644. - P. 698-703. -https://doi.org/10.1016/jjallcom.2015.04.207
3. Balla V.K., Bose S., Davies N.M., Bandyopadhyay A. Tantalum—A bioactive metal for implants // JOM. -2010. - V. 62. - P. 61-64.
4. Sui Z., Wang J., Wu C., Niu J., Zhu J., Zhou L. Research on the surface characterization, corrosion and bioactivity of nano-featured tantalum coating on selective electron beam melted Ti6Al4V alloy // J. Alloy. Compds. - 2023. - V. 946. - P. 169351. - https://doi. org/10.1016/j.jallcom.2023.169351
5. Bahrami A., Alvarez J. P., Depablos-Rivera O., Mira-bal-Rojas R., Ruiz-Ramirez A., Muhl S., Rodil S.E. Compositional and tribo-mechanical characterization of Ti-Ta coatings prepared by confocal dual magnetron co-sputtering // Adv. Eng. Mater. - 2018. -V. 20. - No. 3. - P. 1700687. - https://doi.org/10. 1002/adem.201700687
6. Pfeiler M., Scheu C., Hutter H., Schnoller J., Mi-chotte C., Mitterer C., Kathrein M. On the effect of Ta on improved oxidation resistance of Ti-Al-Ta-N coatings // J. Vacuum Sci. Technol. A. - 2009. - V. 27. -No. 3. - P. 554-560. - https://doi.org/10.1116/1.311 9671
7. Zhang X.M., Li Y, Gu Y.X., Zhang C.N., Lai H.C., Shi J. Y. Ta-coated titanium surface with superior bac-teriostasis and osseointegration // Int. J. Nanomed. -2019. - P. 8693-8706. - https://doi.org/10.2147/ IJN.S218640
8. Fattah-Alhosseini A., Elmkhah H., Ansari G., Attarza-deh F., Imantalab O. A comparison of electrochemical behavior of coated nanostructured Ta on Ti substrate with pure uncoated Ta in Ringer's physiological solution // J. Alloy. Compds. - 2018. - V. 739. - P. 918925. - https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.12.339
9. Liu L.L., Xu J., Lu X., Munroe P., Xie Z.H. Electrochemical corrosion behavior of nanocrystalline P-Ta coating for biomedical applications // ACS Biomater. Sci. Eng. - 2016. - V. 2. - No. 4. - P. 579-594. - https:// doi.org/10.1021/acsbiomaterials.5b00552
10. Balla V.K., Banerjee S., Bose S., Bandyopadhyay A. Direct laser processing of a tantalum coating on titanium for bone replacement structures // Acta Biomater. -2010. - V. 6. - No. 6. - P. 2329-2334. - https://doi. org/10.1016/j.actbio.2009.11.021
11. Roy M., Balla V.K., Bandyopadhyay A., Bose S. MgO-doped tantalum coating on Ti: Microstructural study and biocompatibility evaluation // ACS Appl. Mater. Interfaces. - 2012. - V. 4. - No. 2. - P. 577-580. -https://doi.org/10.1021/am201365e
12. Ou S.F., Wang C.Y. Fabrication of a hydroxyapatite-containing coating on Ti-Ta alloy by electrical discharge coating and hydrothermal treatment // Surf. Coat. Technol. - 2016. - V. 302. - P. 238-243. -https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.06.013
13. Николенко С.В., Верхотуров А.Д., Коваленко С.В. Поверхностная обработка титанового сплава ВТ-20 электроискровым легированием // Перспективные материалы. - 2002. - № 3. - C. 13-19.
14. Антипов М.С., Бажин П.М., Константинов А.С., Чижиков А.П., Жидович А.О., Столин А.М. Структура, механические и трибологические свойства композиционных покрытий на основе Ti-Cr-C-Ni-Fe // Физ. мезомех. - 2023. - Т. 26. - № 4. - С. 117128. - https://doi.org/10.55652/1683-805X_2023_26_ 4_117
15. Николенко С.В., Коневцов Л.А., Гордиенко П.С., Панин Е. С. Влияние добавки хрома и режимов при электроискровом легировании алюмоматричным анодным материалом стали // Инженерные технологии и системы. - 2021. - Т. 31. - № 3. - С. 449469. - https://doi.org/10.15507/2658-4123.031.2021 03.449-469
16. Ribalko A. V., Sahin O. A modern representation of the behaviour of electrospark alloying of steel by hard alloy // Surf. Coat. Technol. - 2006. - V. 201. - No. 34. - P. 1724-1730. - https://doi.org/10.1016/j. surfcoat. 2006.02.044
17. Kreivaitis R., Zunda A., Kupcinskas A., Jankauskas V. A study of tribological behaviour of W-Co and Cu electro-spark alloyed layers under lubricated sliding conditions // Tribology Int. - 2016. - V. 103. -P. 236-242. - https://doi.org/10.1016/j.triboint.2016. 07.010
18. Бурков А.А. Осаждение покрытий из металлического стекла электроискровой обработкой в среде гранул состава Fe39Ni8Cr7W7Mo7Co2Ci6Bi4 // Письма о материалах. - 2017. - Т. 7. - № 3. - С. 254-259. -https://doi.org/10.22226/2410-3535-2017-3-254-259
19. Бурков А.А., Кулик М.А. Электроискровое осаждение покрытий с использованием порошка Cr3C2 и их характеристика // Письма о материалах. -
2019. - Т. 9. - № 2. - С. 243-248. - https://doi.org/ 10.22226/2410-3535-2019-2-243-248
20. Бурков А.А., Кулик М.А. Износостойкие и антикоррозионные покрытия на основе карбида хрома Сг7С3, полученные электроискровым осаждением // Физикохимия поверхности и защита материалов. -
2020. - Т. 56. - № 6. - С. 667-672. - https://doi.org/ 10.31857/S0044185620060066
21. Emelyanenko A.M., Boinovich L.B. Analysis of wetting as an efficient method for studying the characteristics of coatings and surfaces and the processes that occur on them: A review // Inorgan. Mater. - 2011. -V. 47. - P. 1667-1675. - https://doi.org/10.1134/S00 20168511150064
22. Litvinov E.A., Mesyats G.A., Proskurovskii D.I. Field emission and explosive electron emission processes in vacuum discharges // Sov. Phys. Usp. - 1983. -V. 26. - No. 2. - P. 138. - https://doi.org/10.1070/ PU1983v026n02ABEH004322
23. Burkov A.A., Bytsura A.Y. Corrosion properties and tri-bological behavior of tungsten carbide coatings with alumide matrix of SS AISI304 // Phys. Solid State. -2022. - V. 64. - No. 9. - P. 504-510. - https://doi.org/ 10.1134/S1063783422110026
24. Верхотуров А.Д. Формирование поверхностного слоя металлов при электроискровом легировании. - Владивосток: Дальнаука, 1995.
25. Бурков А.А., Крутикова В.О., Быцура А.Ю., Хе В.К. Ti-Cr-Cu электроискровые покрытия на стали Ст3 // Проблемы черной металлургии и материаловедения. - 2023. - № 1. - С. 93-104.
26. Brodner W., Bitzan P., Meisinger V., Kaider A., Gott-sauner-Wolf F., Kotz R. Elevated serum cobalt with metal-on-metal articulating surfaces // J. Bone Joint Surgery. British. - 1997. - V. 79. - No. 2. - P. 316-321.
27. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник. - М.: Машиностроение, 2001. - Т. 3. - С. 448.
28. Song J., Zhang P.Z., Wei D.B., Wei X.F., Wang Y. Isothermal oxidation behavior and microstructure of plasma surface Ta coating on y-TiAl // Mater. Charac-teriz. - 2014. - V. 98. - P. 54-59. - https://doi.org/10. 1016/j.matchar.2014.10.014
29. Hashimoto K., Seita K. Formation of Protective Intermediate Phase in Ta Addition TiAl during High Temperature Oxidation // Mater. Sci. Forum. - Trans. Tech. Publ. Ltd., 2010. - V. 654. - P. 546-549.
30. Yue Y, Liu S., Qiu W., Wang F., Xue Y, Xia C, Du S. Comparative study on wear behaviors of monolayer and heterogeneous multilayer Ta coatings in atmospheric and SBF environments // Coatings. - 2023. -V. 13. - No. 1. - P. 120. - https://doi.org/10.3390/ coatings13010120
31. Бурков А.А. Улучшение износостойкости сплава Ti6Al4V электроискровыми покрытиями из карбида гафния // Трение и износ. - 2020. - Т. 41. -No. 6. - С. 731-737. - https://doi.org/10.32864/0202-4977-2020-41-6-731-737
32. Dittrick S., Balla V.K., Bose S., Bandyopadhyay A. Wear performance of laser processed tantalum coatings // Mater. Sci. Eng C. - 2011. - V. 31. - No. 8. -P. 1832-1835. - https://doi.org/10.1016/j.msec.2011. 08.017
33. Лапицкая В.А., Кузнецова Т.А., Чижик С.А., Вархо-лински Б. Способы повышения точности определения вязкости разрушения твердых хрупких материалов при индентировании // Приборы и методы измерений. - 2022. - Т. 13. - No. 1. - С. 40-49. -https://doi.org/10.21122/2220-9506-2022-13-1-40-49
Поступила в редакцию 13.12.2023 г., после доработки 07.02.2024 г., принята к публикации 12.02.2024 г.
Сведения об авторах
Бурков Александр Анатольевич, к.ф.-м.н., снс, зав. лаб. ХФИЦ ИМ ДВО РАН, Ъигкоуа1ех@таД.га Николенко Сергей Викторович, д.т.н., гнс, врио дир. ХФИЦ ИМ ДВО РАН, шко1а1960@таП.га Крутикова Валерия Олеговна, мнс ИТИГ ДВО РАН, nm32697@gmai1.com Шельменок Наталья Алексеевна, лабор. ХФИЦ ИМ ДВО РАН, шЬе1тепок2003@таД.га
