Институт материаловедения Хабаровского НЦ ДВО РАН, Хабаровск, Россия

А. А. Бурков, старший научный сотрудник, канд. физ.-мат. наук, эл. почта: burkovalex@mail.ru
М. А. Кулик, младший научный сотрудник

Титановые сплавы привлекают широкое внимание исследователей из-за уникального сочетания низкой плотности, высокой прочности, коррозионной устойчивости, биосовместимости и т. д. Поэтому изучение новых методов обработки титана и создания защитных покрытий представляется актуальным. Методом электроискровой обработки титанового сплава Ti6Al4V в смеси титановых гранул с порошком карбида тантала были получены металлокерамические покрытия. Приготовлены три смеси гранул с содержанием TaC, % (об.): 2,4; 4,6 и 6,7. Осаждение покрытий осуществляли импульсами с энергией 0,33 Дж и частотой 1 кГц в течение 8 мин в потоке аргона. Повышение объемной доли порошка карбида тантала в смеси гранул с 2,4 до 6,7 % (об.) не привело к существенному увеличению привеса катода. Средняя толщина покрытий находилась в диапазоне от 29 до 36 мкм. Методами растровой микроскопии и энергодисперсионного анализа установлено, что структура покрытия представлена металлической Ti – Ta – C-матрицей c крупными керамическими включениями. На основании данных рентгенофазового анализа установлено, что в составе покрытий преобладает карбид тантала, содержание которого повышается с ростом концентрации порошка в смеси гранул. Помимо него присутствуют фазы карбида титана и субкарбида тантала TaC_0,6, которые являются продуктами декарбидизации TaC при его взаимодействии с расплавом титана. С увеличением концентрации карбида тантала в смеси гранул твердость TaC/Ti-покрытий возрастала от 6,1 до 8,9 ГПа, что в 2–3 раза выше, чем у сплава Ti6Al4V. Коэффициент трения покрытий находился в пределах 0,5–0,9. Испытания на износ в режиме сухого скольжения показали, что TaC/Ti-покрытия имели скорость износа в пределах от 0,1·10^–5 до 1,7·10^–5 мм /Нм. Таким образом, они могут повысить износостойкость сплава Ti6Al4V до 128 раз.

1. Jakobsen S. S., Lidén C., Søballe K., Johansen J. D. et al. Failure of total hip implants: Metals and metal release in 52 cases. Contact Dermatitis. 2014. Vol. 71. pp. 319–325.
2. Liu Y., Liu W., Ma Y., Liang C. et al. Microstructure and wear resistance of compositionally graded Ti – Al intermetallic coating on Ti6Al4V alloy fabricated by laser powder deposition. Surface and Coatings Technology. 2018. Vol. 353. pp. 32–40.

3. Lepicka M., Gradzka-Dahlke M. Surface modification of Ti6Al4V titanium alloy for biomedical applications and its effect on tribological performance. A review. Reviews on Advanced Materials Science. 2016. Vol. 46. pp. 86–103.
4. Dai J., Li S., Zhang H., Yu H. et al. Microstructure and high-temperature oxidation resistance of Ti – Al – Nb coatings on a Ti – 6Al – 4V alloy fabricated by laser surface alloying. Surface and Coatings Technology. 2018. Vol. 344. pp. 479–488.
5. Hao Y. J., Liu J. X., Li J. C., Li S. K. et al. Rapid preparation of TiC reinforced Ti6Al4V based composites by carburizing method through spark plasma sintering technique. Materials and Design. 2015. Vol. 65. pp. 94–97.
6. Peretti V., Ferraris S., Gautier G., Hellmich C. et al. Surface treatments for boriding of Ti6Al4V alloy in view of applications as a biomaterial. Tribology International. 2018. Vol. 126. pp. 21–28.
7. Kislyiy P. S., Bodnaruk N. I., Borovikova M. S. Cermets. Kiev : Naukova Dumka, 1985. — 271 p.
8. Tinklepaugh J. R., James R. Cermets. New York : USA, Reinhold Publishing Corporation, 1960. pp. 34–39.
9. Geng G., Liu L., Wang Y., Hai W. et al. Microstructure and mechanical properties of TaC ceramics with 1–7.5 mol.% Si as sintering aid. Journal of the American Ceramic Society. 2017. Vol. 100. pp. 2461–2470.
10. Feng G., Li H., Yao X., Chen M. et al. Ablation resistance of TaC-modified HfC coating prepared by supersonic plasma spraying for SiC-coated carbon/carbon composites. Ceramics International. 2019. Vol. 45, Iss. 14. pp. 17936–17945.
11. Xi W., Ding W., Yu S., Lin N. et al. Corrosion behavior of TaC/Ta composite coatings on C17200 alloy by plasma surface alloying and CVD carburizing. Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 359. pp. 426–432.
12. Dhakal D. R., Gyawali G., Kshetri Y. K., Choi J.-H. et al. Microstructural and electrochemical corrosion properties of electroless Ni – P – TaC com posite coating. Surface and Coatings Technology. 2020. Vol. 381. art. no. 125135.
13. Long Y., Javed A., Chen J., Chen Z.-K. et al. The effect of deposition temperature on the microstructure and mechanical properties of TaC coatings. Materials Letters. 2014. Vol. 121. pp. 202–205.
14. Chao M.-J., Wang W.-L., Liang E.-J., Ouyang D. Microstructure and wear resistance of TaC reinforced Ni-based coating by laser cladding. Surface and Coatings Technology. 2008. Vol. 202, Iss. 10. pp. 1918–1922.
15. Trignan-Piot L., Bérardo M., Gastaldi J., Giorgio S. Influence of plasma spraying parameters on the carbon content and porosity of TaC coatings. Surface and Coatings Technology. 1996. Vol. 79. pp. 113–118.
16. Xie Y., Yang Y., Wang M., Hou J. MCrAlY/TaC metal matrix composite coatings produced by electrospark deposition. Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2013. Vol. 26, Iss. 2. pp. 173–176.
17. Nikolenko S. V., Syuy N. A., Burkov A. A. Investigation of microstructure and properties of coatings on the steel 45, applied by TiC – Ni – Mo based electric discharge deposition. Tsvetnye Metally. 2017. No. 4. pp. 69–75.
18. Burkov А. А., Kulik М. А., Krutikova V. O. Characteristics of Ti– Si coatings on Ti6Al4V Alloy Subjected to Electrospark Granules Deposition. Tsvetnye Metally. 2019. No. 4. pp. 54–59. DOI: 10.17580/tsm.2019.04.07.
19. Burkov A. A., Chigrin P. G. Effect of tungsten, molybdenum, nickel and cobalt on the corrosion and wear performance of Fe-based metallic glass coatings. Surface and Coatings Technology. 2018. Vol. 351. pp. 68–77.
20. Poveshchenko V. I., Egorov F. F., Verkhoturov A. D. Electric-spark alloying of steels with TiN-Cr materials. Powder Metall Met Ceram. 1983. Vol. 22. pp. 910–915.
21. ASTM G99 – 04a. Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus. PA, West Conshohocken, 2004.
22. Chen G. X., Zhou Z. R., Kapsa Ph., Vincent L. Effect of surface topography on formation of squeal under reciprocating sliding. Wear. 2002. Vol. 253. pp. 411–423.
23. Liu Y., Zheng Z., Yang C., Zhu D. et al. Effects of unreacted Ti particles on the dry sliding tribological behavior of squeeze-cast (SiCp + Ti)/7075Al hybrid composites under different applied loads. Tribology Letters. 2017. Vol. 65. p. 39.
24. Stott F. H., Jordan M. P. The effects of load and substrate hardness on the development and maintenance of wear-protective layers during sliding at elevated temperatures. Wear. 2001. Vol. 250–251. pp. 391–400.
25. Wei M. X., Wang S. Q., Wang L., Cui X. H. Wear and friction characteristics of a selected stainless steel. Tribology Transactions. 2011. Vol. 54. pp. 840–848.
26. Li G. D., Xiong X., Huang K. L. Ablation mechanism of TaC coating fabricated by chemical vapor deposition on carbon-carbon composites. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2009. Vol. 19. pp. S689–S693.
27. Lv Y. H., Li J., Tao Y. F., Hu L. F. High-temperature wear and oxidation behaviors of TiNi/Ti2Ni matrix composite coatings with TaC addition prepared on Ti6Al4V by laser cladding. Applied Surface Science. 2017. Vol. 402. pp. 478–494.