Учёные ТГУ предлагают способ повышения долговечности титана

Титан и его сплавы благодаря уникальному сочетанию легкости, прочности, термостойкости и коррозионной устойчивости широко применяются в аэрокосмической, судостроительной и химической промышленности. Однако их потенциал может быть весомо расширен за счет формирования на их поверхности функциональных покрытий, в качестве которых успешно используются никелиды титана. Интерметаллические сплавы системы титан-никель известны своими исключительными трибологическими свойствами (сопротивление трению и износу), высокой демпфирующей способностью, стойкостью к коррозии и эрозии.

– Такие покрытия очень эффективны для изделий из титана, работающих в условиях интенсивного износа при повышенных температурах в ряде агрессивных сред, – отмечает заведующий лабораторией кафедры «Сварка, обработка материалов и родственные процессы» ТГУ Юрий Хохлов. – Технология перспективна для различных отраслей промышленности – например, новые покрытия значительно увеличат межремонтный ресурс деталей авиакосмической отрасли. Повышенная износостойкость и коррозионная стойкость, высокие трибологические свойства покрытий позволят увеличить срок эксплуатации изделий химической машиностроения.

Простым и эффективным способом получения никелидов титана на поверхности титановых изделий является использование технологии, основанной на диффузионном отжиге титана с никелевым покрытием. Проведённые группой учёных ТГУ под руководством профессора НИИ прогрессивных технологий Александра Ковтунова исследования этого процесса позволили в ходе многократных экспериментов установить влияние температуры и времени на структуру, химический и фазовый состав интерметаллических слоев.

– Исследования проводились на образцах титана ВТ1-0 с химически осажденным никелевым слоем, – рассказывает Юрий Хохлов, один из авторов работы. – Диффузионный отжиг проводили в атмосфере печи сопротивления при температурах от 650 до 850°C с различным временем выдержки, от 30 минут до 10 часов. Для снижения окисляемости никелевого покрытия партия образцов отжигалась в инертной атмосфере, создаваемой в герметичном контейнере, который заполнялся аргоном.

Установлено, что при отжиге в результате взаимной диффузии никеля и титана многослойное покрытие на основе никелидов титана напрямую зависит от температуры и времени отжига. При температурах 650-850°C на границе раздела титана и никеля образуется сложное многослойное покрытие, состоящее из четырех, пяти слоев с различным химическим и фазовым составом. Особое внимание учёные уделили проблеме окисления никелевого слоя: отжиг в воздушной атмосфере приводит к интенсивному окислению никелевого слоя, тогда как высокотемпературная выдержка в инертной среде (аргоне) полностью предотвращает этот процесс.

Эти результаты позволяют управлять процессом формирования покрытий на основе никелидов титана и получать покрытия заданного химического, фазового состава, с необходимым комплексом механических и эксплуатационных свойств.

Полученные никелидные покрытия демонстрируют исключительную микротвердость, составляющую от 400 до 1000 HV, что значительно выше, чем у исходного титана. Относительное значение износостойкости титановых изделий с новым покрытием возрастает в 2,5 – 4,2 раза по сравнению с титаном. Это означает кратное увеличение срока службы деталей в условиях трения и износа.

Разработка сотрудников Тольяттинского госуниверситета подтверждает высокий потенциал российской науки в создании инновационных решений для ключевых отраслей экономики, способствующих технологическому суверенитету страны. По словам учёных, сейчас ключевая задача – масштабирование технологии и поиск промышленных партнеров для внедрения разработки в реальное производство.

Статья Александра Ковтунова, Юрия Хохлова, Леонида Вершинина и Юрия Исакова «О формировании интерметаллидного слоя при диффузионном отжиге титана с никелевым покрытием» опубликована в научно-техническом производственном журнале «Металлург» (входит в перечень утверждённых ВАК РФ изданий для публикации трудов соискателей учёных степеней. Представлен в информационных системах Web of Science, SCOPUS, РИНЦ и «Science Index»). Работа проведена в рамках реализации федеральной программы государственной поддержки и развития университетов «Приоритет 2030» национального проекта «Молодежь и дети». ТГУ является участником программы с 2021 года.