Ученые повысили прочность и износостойкость поверхности титана

Исследователи предложили технологию, повышающую прочность и износостойкость титановых изделий. При помощи электролизной плазмы авторы работы формировали на поверхности материала шероховатую оксидную пленку, а под ней — твердый раствор азота и углерода, увеличивающий прочность образца в пять раз. Затем исследователи полировали титановые образцы в растворе электролита и, таким образом, снизили износ материала по массе в 4,7 раза. Полученные данные расширят область применения титановых изделий в медицине, промышленности и энергетике. Результаты исследования опубликованы в журнале Coatings.

Материалы на основе титана широко используются в судостроении, цветной металлургии, атомной энергетике, при добыче нефти и газа. Однако титановые изделия обладают недостаточной износостойкостью. Один из вариантов усовершенствования титана — это использование электролитно-плазменного диффузионного насыщения. При этом под действием электрического тока на поверхности материала возникает оксидная пленка, а под ней — соединения азота и углерода. За счет такой обработки повышается износостойкость материала, однако он становится более шероховатым, а хрупкие пористые оксидные структуры легко отслаиваются.

Ученые из Костромского государственного университета (Кострома), Московского государственного технологического университета «СТАНКИН» (Москва) и Костромской государственной сельскохозяйственной академии (Караваево) предложили метод, повышающий износостойкость поверхности титановых изделий. Исследователи использовали комбинированную обработку, включающую диффузное насыщение и полирование. Авторы показали, что при температуре выше 850оC оксидные пленки становились более пористыми, однако шероховатость таких образцов не превышала исходного значения. С повышением температуры ослабевала связь между основным материалом и оксидами, которые легко отваливались при трении. При этом под оксидной оболочкой формировался твердый раствор азота и углерода, повышающий твердость образца в пять раз по сравнению с чистым титаном.

Затем исследователи отполировали полученные титановые образцы. Во время полирования в растворе электролита вокруг материала формировалась тонкая парогазовая оболочка, удаляющая выступающие хрупкие части оксидного слоя. Ученые обрабатывали образцы три минуты и снизили коэффициент трения, весовой износ и объемный износ в 2,2, 4,7 и 7,6 раз соответственно по сравнению с необработанными образцами.

«Предложенная технология отлаженно работает на технически чистом титане. Для решения реальных задач необходима адаптация на материалы, применяемые в реальном производстве, в первую очередь авиастроении, космических технологиях, протезировании. Этим мы планируем заниматься в ближайшее время», — рассказывает Сергей Кусманов, доктор технических наук, доцент, директор Института физико-математических и естественных наук Костромского государственного университета.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».