fwjТрение и и износTitle in english0000-00000000-0000AGU10.32864/0202-4977-2025-46-3-223-230fwj-138Research ArticleСтатьиТриботехнические характеристики вакуумно-дуговых покрытий Mo–S–Ti–C на титановом сплаве ВТ5, сформированных при ассистирующем воздействии газоразрядной плазмыTribotechnical Characteristics of Vacuum-Arc Coatings Mo–S–Ti–C on Titanium Alloy VT5, Formed with Assistant Influence of Gas-Discharge PlasmaЛеоновА. А.LeonovA. A.

пр. Академический, 2/3, г. Томск 634055, Россия

Academichesky ave., 2/3, Tomsk 634055, Russia

laa-91@yandex.ruСавостиковВ. М.SavostikovV. M.

пр. Академический, 2/3, г. Томск 634055, Россия

Academichesky ave., 2/3, Tomsk 634055, Russia

ДенисовВ. В.DenisovV. V.

пр. Академический, 2/3, г. Томск 634055, Россия

Academichesky ave., 2/3, Tomsk 634055, Russia

ДенисоваЮ. А.DenisovaYu. A.

пр. Академический, 2/3, г. Томск 634055, Россия

Academichesky ave., 2/3, Tomsk 634055, Russia

ХимичМ. А.KhimichM. A.

пр. Ленина, 36, г. Томск 634050, Россия

пр. Академический, 2/4, г. Томск 634055, Россия

Lenina ave., 36, Tomsk 634050, Russia

Academichesky ave., 2/4, Tomsk 634055, Russia

СкосырскийА. Б.SkosyrskiiA. B.

пр. Академический, 2/3, г. Томск 634055, Россия

пр. Ленина, 36, г. Томск 634050, Россия

Academichesky ave., 2/3, Tomsk 634055, Russia

Lenina ave., 36, Tomsk 634050, Russia

Институт сильноточной электроники СО РАНРоссияInstitute of High Current Electronics Siberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian FederationНациональный исследовательский Томский государственный университет; Институт физики прочности и материаловедения СО РАНРоссияNational Research Tomsk State University; Institute of Strength Physics and Materials Science Siberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут сильноточной электроники СО РАН; Национальный исследовательский Томский государственный университетРоссияInstitute of High Current Electronics Siberian Branch of Russian Academy of Sciences; National Research Tomsk State UniversityRussian Federation202507102026463223230Copyright © AGU, 20262026AGUAGUhttps://fwj.ejournal.by/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://fwj.ejournal.by/jour/article/view/138

Цель работы — определение наиболее рациональных условий и режимов синтеза Mo–S–Ti–C-покрытий на титановом сплаве ВТ5, обеспечивающих наилучшие триботехнические характеристики.

Покрытия наносили вакуумно-дуговым испарением катодов на модернизированной установке ННВ-6.6-И1. Катоды изготавливали методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Ассистирующее воздействии газоразрядной плазмы при нанесении покрытия обеспечивалось автономным плазменным источником с накалённым катодом. При этом варьировали потенциал смещения на подложке, время осаждения, состав рабочей газовой среды — аргон и/или смесь аргона с азотом в соотношении 1:1.

Установлено, что воздействие газоразрядной плазмы на покрытия обеспечивает 2—3-х кратное повышение их твёрдости. Методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии выявлено наличие в катодах и в покрытиях элементов Mo, S и Ti, C, образующих сульфиды и твёрдые карбиды соответственно. Рентгеноструктурный анализ подтвердил синтез соединений по типу Mo2S3 и TiC и в катодах, и в покрытиях. Наиболее эффективный вариант покрытия, полученного с применением смеси аргона и азота содержит упрочняющую фазу TiN. Триботехнические испытания проводили при трении без смазочного материала. Установлено, что наиболее эффективный вариант покрытия с добавлением азота в плазме, по сравнению с исходным сплавом ВТ5, показал снижение коэффициента трения при нагрузке на контртело 1 Н — в 2 раза, при нагрузке 5 Н — в 3 раза; показатель износа в обоих случаях уменьшился на порядок и более. Таким образом, такой технологический способ обеспечивает формирование градиентно-слоистого покрытия и представляется перспективным для промышленного применения.

The aim of the work is to identify the most effective conditions and modes for the synthesis of Mo–S–Ti–C coatings on titanium alloy VT5, providing the best tribological characteristics.

The coatings were applied by vacuum arc evaporation of cathodes on a modernized NNV-6.6-I1 installation. The cathodes were produced using self-propagating high-temperature synthesis. Assistance to the gas discharge plasma during coating application was provided by an autonomous plasma source with a heated cathode. In this case, the bias potential on the substrate, the deposition time, and the composition of the working gas environment — argon and/or a mixture of argon and nitrogen in a ratio of 1:1 — were varied.

It has been established that the use of assisting action of gas discharge plasma on deposited coatings provides a 2—3 times increase in their hardness. Using energy-dispersive X-ray spectroscopy, the presence of both sulfide-forming elements (Mo, S) and elements capable of forming solid carbides (Ti, C) was revealed in the evaporated cathodes and in the applied coatings. X-ray structural analysis confirmed the synthesis of compounds of the Mo2S3 and TiC type in both cathodes and coatings. In the most effective version of a three-layer coating using, along with argon, additionally nitrogen in gas discharge plasma, the formation of a strengthening phase TiN was also recorded. Tribological tests were carried out under friction conditions without lubricant. It was established that the most effective version of a three-layer coating with the addition of nitrogen in a gas discharge plasma, compared to the initial VT5 alloy, showed a decrease in the friction coefficient under a load on the counterbody of 1 N — by 2 times, under a load of 5 N — by 3 times; the wear rate in both cases decreased by an order of magnitude or more. Thus, the presented technological method ensures the formation of a gradient-layered coating architecture and appears promising for industrial application.

коэффициент тренияизносвакуумно-дуговое осаждениегазоразрядная плазмамногокомпонентное покрытиеfriction coefficientwearvacuum arc depositiongas discharge plasmamulticomponent coatingReferencesКрагельский И.В., Добычин М.Н., Комба-лов В.С. Основы расчетов на трение и износ. — М.: Машиностроение. — 1977Kragel'skiy I.V., Dobychin M.N., Kombalov V.S. Osnovyraschetovpotreniyu i iznosu. — Moskva: Mashinostroyeniye. — 1977 (in Russian)Renevier N.M., Hamphire J., Fox V.C. [et al.]. Advantages of Using Self-Lubricating, Hard, Wear-Resistant MoS2-Based Coatings // Surf. Coat. Technol. — 2001 (142-144), 67—77. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01108-2Renevier N.M., Hamphire J., Fox V.C. [et al.]. Advantages of Using Self-Lubricating, Hard, Wear-Resistant MoS2-Based Coatings // Surf. Coat. Technol. — 2001 (142-144), 67—77. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01108-2Rahman M., Haider J., Dowling D.P. [et al.] Dep-osition of Magnetron Sputtered TiN + MoSx Coat-ing with Ti–TiN Graded Interlayer // Surf. Coat. Technol. — 2005 (200), 1071—1075. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.02.096Rahman M., Haider J., Dowling D.P. [et al.] Dep-osition of Magnetron Sputtered TiN + MoSx Coat-ing with Ti–TiN Graded Interlayer // Surf. Coat. Technol. — 2005 (200), 1071—1075. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.02.096Gangopadhyay S., Acharya R., Chattopadh-yay A.K., and Paul S. Composition and Structure–Property Relationship of Low Friction, Wear Re-sistant TiN–MoSx Composite Coating Deposited by Pulsed Closed-Field Unbalanced Magnetron Sput-tering // Surf. Coat. Technol. — 2009 (203), 1565—1572. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.11.004Gangopadhyay S., Acharya R., Chattopadh-yay A.K., and Paul S. Composition and Structure–Property Relationship of Low Friction, Wear Re-sistant TiN–MoSx Composite Coating Deposited by Pulsed Closed-Field Unbalanced Magnetron Sput-tering // Surf. Coat. Technol. — 2009 (203), 1565—1572. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.11.004Li X., Zhang Y., Ji L. [et al.]. Tribological Proper-ties and Wear Mechanism of Molybdenum Disul-fide-Carbon Composite Film under Low Tempera-ture in Vacuum // Trib. Int. — 2024 (199), 109926. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109926Li X., Zhang Y., Ji L. [et al.]. Tribological Proper-ties and Wear Mechanism of Molybdenum Disul-fide-Carbon Composite Film under Low Tempera-ture in Vacuum // Trib. Int. — 2024 (199), 109926. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109926Ren Y., Niu Y., Jia J. [et al.]. Design and Tribologi-cal Performance of CrN/Mo2N/MoSx Composite Coating in Wide Temperature Range Inspired by Oxidation Kinetics Principle // Trib. Int. — 2023 (180), 108229. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.108229Ren Y., Niu Y., Jia J. [et al.]. Design and Tribologi-cal Performance of CrN/Mo2N/MoSx Composite Coating in Wide Temperature Range Inspired by Oxidation Kinetics Principle // Trib. Int. — 2023 (180), 108229. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.108229Ju S., Ji L., Liu X. [et al.]. The Effect of LaF3 in Enhancing the Atomic-Oxygen-Resistance of Mo-lybdenum-Disulfide-Based Solid Lubricant Films // Trib. Int. — 2024 (192), 109259. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109259Ju S., Ji L., Liu X. [et al.]. The Effect of LaF3 in Enhancing the Atomic-Oxygen-Resistance of Mo-lybdenum-Disulfide-Based Solid Lubricant Films // Trib. Int. — 2024 (192), 109259. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109259Chen H., Wang W., Le K. [et al.]. Effects of Sub-strate Roughness on the Tribological Properties of Duplex Plasma Nitrided and MoS2 Coated Ti6Al4V Alloy // Trib. Int. — 2024 (191), 109123. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.109123Chen H., Wang W., Le K. [et al.]. Effects of Sub-strate Roughness on the Tribological Properties of Duplex Plasma Nitrided and MoS2 Coated Ti6Al4V Alloy // Trib. Int. — 2024 (191), 109123. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.109123Прожега М.В., Рещиков Е.О., Константи-нов Е.О. [и др.]. Трибологические свойства ан-тифрикционных покрытий на основе дисульфи-да молибдена в экстремальных условиях // Тре-ние и износ. — 2022 (43), № 6, 640—650. DOI: 10.32864/0202-4977-2022-43-6-640-650Prozhega M.V., ReshchikovYe.O., Konstanti-nov Ye.O. [i dr.] Tribologicheskiye svoystva anti-friktsionnykh pokrytiy na osnove disul'fidamolib-dena v ekstremal'nykh usloviyakh // Treniye i iznos. — 2022 (43), № 6, 640—650. DOI: 10.32864/0202-4977-2022-43-6-640-650 (in Rus-sian)Способ нанесения антифрикционного изно-состойкого покрытия на титановые сплавы: патент РФ на изобретение. RU 2502828 C1. 27.12.2013. / В.М. Савостиков, А.Н. Табаченко, А.И. Потекаев, Е.Ф. ДударевSposob naneseniya antifriktsionnogo iznosostoy-kogo pokrytiya na titanovyye splavy: patent RF naizobreteniye. RU 2502828 S1. 27.12.2013. / V.M. Savostikov, A.N. Tabachenko, A.I. Pote-kayev, Ye.F. Dudarev (in Russian)Savostikov V.M., Leonov A.A., Denisov V.V. [et al.]. Formation of a Zr+ZrxNy+(Zr+TiBSiNi)N+(TiBSiNi)N Gradient-Layered Coating Based on Physical and Tribo-technical Characteristics of Constituent Layers // Russ. Phys. J. — 2024(67), 1090—1099. https://doi.org/10.1007/s11182-024-03220-2Savostikov V.M., Leonov A.A., Denisov V.V. [et al.]. Formation of a Zr+ZrxNy+(Zr+TiBSiNi)N+(TiBSiNi)N Gradient-Layered Coating Based on Physical and Tribo-technical Characteristics of Constituent Layers // Russ. Phys. J. — 2024(67), 1090—1099. https://doi.org/10.1007/s11182-024-03220-2

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