fwjТрение и и износTitle in english0000-00000000-0000AGU10.32864/0202-4977-2026-47-1-39-46fwj-111Research ArticleСтатьиРоль объёмной доли МАХ-фазы в формировании оксидной трибоплёнки и механизма изнашивания композитов Cu–Ti3SiC2 и Cu–Ti3AlC2The Role of MAX Phase Volume Fraction in Oxide Tribofilm Formation and Wear Mechanism of Cu–Ti3SiC2 and Cu–Ti3AlC2 CompositesНовицкаяО. С.NovitskayaO. S.

просп. Академический, 2/4, г. Томск 634055

pr. Akademicheskii, 2/4, Tomsk 634055

nos@ispms.ruРюминЕ. Е.RyuminE. E.

просп. Академический, 2/4, г. Томск 634055

pr. Akademicheskii, 2/4, Tomsk 634055

КриницынМ. Г.KrinitsynM. G.

просп. Академический, 2/4, г. Томск 634055

pr. Akademicheskii, 2/4, Tomsk 634055

Институт физики прочности и материаловедения им. В.Е. Панина СО РАНРоссияPanin Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian Federation2026300920264713946Copyright © AGU, 20262026AGUAGUhttps://fwj.ejournal.by/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://fwj.ejournal.by/jour/article/view/111

В работе проведён сравнительный анализ трибологических характеристик композиционных материалов на медной основе с различным содержанием (30 об. % и 50 об. %) МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3AlC2, полученных методом экструзионного аддитивного производства.

Образцы изготавливали по многоэтапной технологии: смешение порошков, экструдирование, аддитивное формование, декомпозиция полимерного связующего и термообработка. Трибологические испытания проводили в условиях трения скольжения без смазочного материала по схеме «палец–диск» с контртелом из стали ШХ15. Поверхности износа исследовали методами лазерной конфокальной и растровой электронной микроскопии с элементным картированием.

Композиты с 30 об. % МАХ-фазы (Cu–30%Ti3SiC2, средний коэффициент трения (КТ) = 0,46; Cu–30%Ti3AlC2, КТ = 0,51) демонстрируют значительно более высокие значения КТ в трибосистеме композит—сталь (AISI 52100), по сравнению с образцами, содержащими 50 об. % МАХ-фазы (Cu–50%Ti3SiC2, КТ = 0,28; Cu–50%Ti3AlC2, КТ = 0,27). На поверхностях износа всех образцов выявлен оксидный слой, образованный оксидами компонентов композита. Механизм изнашивания определён как комбинированный окислительный и адгезионный, со сходной морфологией частиц износа для всех составов. Значения триботехнических характеристик композитов определяются как объёмной долей МАХ-фазы, так и её химическим составом. Повышенная склонность Ti3SiC2 к окислению оказывает значимое влияние на формирование трибоплёнки и, как следствие, на коэффициент трения и износостойкость материала.

The paper presents a comparative analysis of the tribological behavior of copper-based composite materials with different contents (30 and 50 vol. %) of the MAX phases Ti3SiC2 and Ti3AlC2, obtained by extrusion additive manufacturing.

The samples were manufactured using a multi-stage technology: powder mixing, extrusion, additive formation, decomposition of the polymer binder, and heat treatment. Tribological tests were conducted under dry sliding friction conditions using the pin-on-disk scheme with a counterface made of AISI 52100 steel. The wear surfaces were examined using laser confocal and scanning electron microscopy with elemental mapping.

Composites with 30 vol. % MAX-phase (Cu–30%Ti₃SiC₂, coefficient of friction (COF) = 0.46; Cu–30%Ti3AlC2, COF = 0.51) demonstrate significantly higher values of the average friction coefficient in composite — AISI 52100 steel tribosystem compared to the samples containing 50 vol. % MAX-phase (Cu–50%Ti3SiC2, COF = 0.28; Cu–50%Ti3AlC2, COF = 0.27). An oxide layer formed by oxides of the com-posite components was detected on the wear surfaces of all samples. The wear mechanism is defined as combined oxidative and adhesive, with similar wear particle morphology for all compositions. The tribological properties of composites are determined by both the volume fraction of the MAX phase and its chemical composition. The increased susceptibility of Ti3SiC2 to oxidation significantly influences the formation of the tribofilm and, consequently, the friction coefficient and wear resistance of the material.

аддитивное производствокомпозиты на основе медной матрицымеханизмы износакоэффициент трениятрибоплёнкаadditive manufacturingcopper matrix compositeswear mechanismsfriction coefficienttribofilmReferencesMakul N. Modern Sustainable Cement and Concrete Composites: Review of Current Status, Challenges and Guidelines // Sustainable Materials and Technologies. — 2020 (25), e00155. https://doi.org/10.1016/j.susmat.2020.e00155Get rights and contentMakul N. Modern Sustainable Cement and Concrete Composites: Review of Current Status, Challenges and Guidelines // Sustainable Materials and Technologies. — 2020 (25), e00155. https://doi.org/10.1016/j.susmat.2020.e00155Get rights and contentSuman P., Bannaravuri P.K., Baburao G., Kandavalli S.R., Alam S., ShanthiRaju M., and Pulisheru K.S. Integrity on Properties of Cu-Based Composites with the Addition of Reinforcement: A Review // Materials Today: Proceedings. — 2021 (47), 6609—6613. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.05.096Suman P., Bannaravuri P.K., Baburao G., Kandavalli S.R., Alam S., ShanthiRaju M., and Pulisheru K.S. Integrity on Properties of Cu-Based Composites with the Addition of Reinforcement: A Review // Materials Today: Proceedings. — 2021 (47), 6609—6613. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.05.096Barsoum M.W. and Radovic M. Elastic and Mechanical Properties of the MAX Phases // Annual Review of Materials Research. — 2011 (41), 195—227Barsoum M.W. and Radovic M. Elastic and Mechanical Properties of the MAX Phases // Annual Review of Materials Research. — 2011 (41), 195—227Ward J., Bowden D., Prestat E., Holdsworth S., Stewart D., Barsoum M. W., Preuss M., and Frankel Ph. Corrosion Performance of Ti3SiC2, Ti3AlC2, Ti2AlC and Cr2AlC MAX Phases in Simulated Primary Water Conditions // Corrosion Science. — 2018 (139), 444—453Ward J., Bowden D., Prestat E., Holdsworth S., Stewart D., Barsoum M. W., Preuss M., and Frankel Ph. Corrosion Performance of Ti3SiC2, Ti3AlC2, Ti2AlC and Cr2AlC MAX Phases in Simulated Primary Water Conditions // Corrosion Science. — 2018 (139), 444—453Фирстов С.А., Горбань В.Ф., Иванова И.И., Печковский Э.П. Механические свойства пористых наноламинатов-композитов Ti3SiC2/TiC, Ti3AlC2/TiC и Ti4AlN3/TiN в интервале температур 20–1300 ºС // Порошковая металлургия. — 2010, № 7/8, 56—68Firstov S.A., Gorban V.F., Ivanova I.I., Pechkovsky E.P. Mekhanicheskie svoystva poristykh nanolaminatov-kompozitov Ti3SiC2/TiC, Ti3AlC2/TiC i Ti4AlN3/TiN v intervale temperatur 20–1300 ºC // Poroshkovaya metallurgiya. — 2010, № 7/8, 56—68 (in Russian)Каченюк М.Н., Кульметьева В.Б., Сметкин А.А. Влияние наноразмерного карбида титана на синтез, структуру и свойства композиционного материала на основе карбосилицида титана // Новые огнеупоры. — 2021, № 10, 46—51Kachenyuk M.N., Kulmet'eva V.B., Smetkin A.A. Vliyanie nanorazmernogo karbida titana na sintez, strukturu i svoystva kompozitsionnogo materiala na osnove karbosilitsida titana // Novye ogneupory. — 2021, № 10, 46—51 (in Russian)Дудина Д.В., Батраев И.С., Ульяницкий В.Ю., Корчагин М.А., Голубкова Г.В., Абрамов С.Ю., Ломовский О.И. Контроль межфазного взаимодействия при детонационном напылении композитов системы Ti3SiC2/Cu // Неорганические материалы. — 2014 (50), № 1, 41—45Dudina D.V., Batraev I.S., Ulianitsky V.Yu., Korchagin M.A., Golubkova G.V., Abramov S.Yu., Lomovskii O.I. Kontrol mezhfaznogo vzaimodeystviya pri detonatsionnom napylenii kompozitov sistemy Ti3SiC2/Cu // Neorganicheskie materiały. — 2014 (50), № 1, 41—45 (in Russian)Dang W., Ren S., Zhou J., Yu Y., Li Z., and Wang L. Influence of Cu on the Mechanical and Tribological Properties of Ti3SiC2 //Ceramics International. — 2016 (42), 9972—9980Dang W., Ren S., Zhou J., Yu Y., Li Z., and Wang L. Influence of Cu on the Mechanical and Tribological Properties of Ti3SiC2 //Ceramics International. — 2016 (42), 9972—9980Севостьянов Н.В., Бурковская Н.П., Болсуновская Т.А. Влияние температуры испытаний на триботехнические свойства карбосилицида титана Ti3SiC2 // Труды ВИАМ. — 2019, № 8(80), 36—45Sevost'yanov N.V., Burkovskaya N.P., Bolsunovskaya T.A. Vliyanie temperatury ispytaniy na tribotekhnicheskie svoystva karbosilitsida titana Ti3SiC2 // Trudy VIAM. — 2019, № 8(80), 36—45 (in Russian)Beaman J.J., Bourell D.L., Seepersad C.C., and Kovar D. Additive Manufacturing Review: Early Past to Current Practice // Journal of Manufacturing Science and Engineering. — 2020 (142), 110812Beaman J.J., Bourell D.L., Seepersad C.C., and Kovar D. Additive Manufacturing Review: Early Past to Current Practice // Journal of Manufacturing Science and Engineering. — 2020 (142), 110812Wong K.V. and Hernandez A. A Review of Additive Manufacturing // International Scholarly Research Notices. — 2012 (2012), 208760Wong K.V. and Hernandez A. A Review of Additive Manufacturing // International Scholarly Research Notices. — 2012 (2012), 208760Frazier W.E. Metal Additive Manufacturing: a Review // Journal of Materials Engineering and performance. — 2014 (23), 1917—1928Frazier W.E. Metal Additive Manufacturing: a Review // Journal of Materials Engineering and performance. — 2014 (23), 1917—1928Алехин В.О. Влияние содержания кремния в меди на фазовый состав и структуру композиционного материала Cu-Ti3SiC2 // За нами будущее: взгляд молодых ученых на инновационное развитие общества. — 2020, 174—177Alekhin V.O. Vliyanie soderzhaniya kremniya v medi na fazovyy sostav i strukturu kompozitsionnogo materiala Cu-Ti3SiC2 // Za nami budushchee: vzglyad molodykh uchenykh na innovatsionnoe razvitie obshchestva. — 2020, 174—177 (in Russian)Умеров Э.Р., Латухин Е.И., Марков Ю.М. Инфильтрация расплава алюминия в пористый Ti3AlC2 после его синтеза // Современные материалы, техника и технологии. — 2020, № 5(32), 106—114Umerov E.R., Latukhin E.I., Markov Yu.M. Infil'tratsiya rasplava alyuminiya v poristyy Ti3AlC2 posle ego sinteza // Sovremennye materiały, tekhnika i tekhnologii. — 2020, № 5(32), 106—114 (in Russian)Gao Z.-S., Xue J., Ouyang C.-S., Luo Y.-S., Ding K., Guo H.S, and Yan G. Investigation of the Microstructure and Tribological Properties of Laser Cladding 5%Ti3SiC2 Reinforced Co-Based Composite Coatings under Different Loads over the Wide Temperature Range // Results in Engineering. — 2024 (24), 103142. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.103142Gao Z.-S., Xue J., Ouyang C.-S., Luo Y.-S., Ding K., Guo H.S, and Yan G. Investigation of the Microstructure and Tribological Properties of Laser Cladding 5%Ti3SiC2 Reinforced Co-Based Composite Coatings under Different Loads over the Wide Temperature Range // Results in Engineering. — 2024 (24), 103142. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.103142

The authors declare that there are no conflicts of interest present.