fwjТрение и и износTitle in english0000-00000000-0000AGU10.32864/0202-4977-2025-46-5-415-424fwj-89Research ArticleСтатьиСтратегии улучшения триботехнических характеристик покрытий TiN/a-CStrategies for Improving the Tribological Characteristics of TiN/а-C CoatingsБелякО. А.BelyakO. A.

пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, г. Ростов-на-Дону 344038

пр. Чехова, 41, г. Ростов-на-Дону 344006

Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., 2, Rostov-on-Don 344038

Chekhov Ave., 41, Rostov-on-Don 344006

belyak.o.a@gmail.comКолесниковВ. И.KolesnikovV. I.

пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, г. Ростов-на-Дону 344038

Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., 2, Rostov-on-Don 344038

МаксимовД. В.MaksimovD. V.

пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, г. Ростов-на-Дону 344038

Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., 2, Rostov-on-Don 344038

АникинаЕ. Д.AnikinaE. D.

пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, г. Ростов-на-Дону 344038

пр. Чехова, 41, г. Ростов-на-Дону 344006

Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., 2, Rostov-on-Don 344038

Chekhov Ave., 41, Rostov-on-Don 344006

ЧетверикМ. М.ChetverikM. M.

пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, г. Ростов-на-Дону 344038

Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., 2, Rostov-on-Don 344038

Ростовский государственный университет путей сообщения (РГУПС); Южный научный центр Российской академии наук» (ЮНЦ РАН)РоссияRostov State Transport University; Southern Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences (SSC RAS)Russian FederationРостовский государственный университет путей сообщения (РГУПС)РоссияRostov State Transport UniversityRussian Federation202529092026465415424Copyright © AGU, 20262026AGUAGUhttps://fwj.ejournal.by/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://fwj.ejournal.by/jour/article/view/89

В настоящей работе исследованы механические свойства и триботехнические характеристики покрытий TiN (монослой), TiN/a-C (двухслойное, два типа сочетаний упругопластических свойств сред) на основе экспериментальных и теоретических подходов. Микроструктура синтезированных покрытий, рельеф лицевой поверхности аттестованы сканирующим электронным микроскопом. Анализ соответствия покрытия а-С осуществлялся методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) при использовании ИК Фурье-спектрометра. Твёрдость и приведённый модуль упругости были получены методом непрерывного индентирования пирамидой Берковича. Интенсивность износа и коэффициент трения определены в режиме трение скольжения. Результаты комплексного экспериментального исследования покрытий являлись основой для построения конечно-элементной модели индентирования двухслойной упругопластической среды с различным сочетанием упругих и пластических характеристик, и относительных толщин слоёв. Экспериментально установлена корреляция параметров рассматриваемых покрытий H/E и H3/E2 и интенсивности износа. Теоретически установлены функциональные зависимости твёрдости и приведённого модуля упругости в зависимости от относительной толщины лицевого метастабильного слоя а-С. Определено оптимальное соотношение толщин составляющих слоёв TiN/a-C покрытия при заданных упругопластических характеристиках материалов, которое будет обладать наилучшими триботехническими характеристиками.

This work investigates the mechanical properties and tribological characteristics of TiN (single layer) and TiN/a-C (double layer, two types of combinations of elastic-plastic properties of media) coatings based on experimental and theoretical approaches. The microstructure of the synthesized coatings and the relief of the front surface were examined using a scanning electron microscope. The analysis of the conformity of the a-C coating was performed using the disturbed total internal reflection method with an IR Fourier spectrometer. The hardness and reduced elastic modulus of the samples were determined through continuous indentation using a Berkovich pyramid. The intensity of wear and the friction coefficient were determined in a sliding friction mode. The findings of a thorough experimental investigation into the coatings were instrumental in formulating a finite element model of indentation into a two-layer elastic-plastic medium, incorporating varied combinations of elastic and plastic characteristics, as well as distinct relative layer thicknesses. The correlation between the parameters of the considered coatings H/E and H3/E2 and the wear intensity was established through experimental means. Theoretically, the functional dependencies of hardness and reduced elastic modulus on the relative thickness of the face metastable layer a-C were established. The optimal thickness ratio of the TiN/a-C coating layers has been determined for given elastic-plastic characteristics of the materials. Such a coating will exhibit optimal tribological characteristics.

многослойные покрытия TiN/a-Cиндентирование упругопластических средмеханические свойства TiNa-Cтриботехнические характеристики a-Cmultilayer TiN/a-C coatingsindentation of elastic-plastic mediamechanical properties TiNa-Ctribological characteristics a-CReferencesAghaei A.A., Eshaghi A., and Karami E. Silicon Solar Cell Performance Deposited by Diamond Like Carbon Thin Film “Atomic Oxygen Effects” // Acta Astronautica. — 2017 (138), 369—373Aghaei A.A., Eshaghi A., and Karami E. Silicon Solar Cell Performance Deposited by Diamond Like Carbon Thin Film “Atomic Oxygen Effects” // Acta Astronautica. — 2017 (138), 369—373Pavlenko V.I., Cherkashina N.I., and Zaitsev S.V. Fabrication and Characterization of Nanocomposite Films Al, Cu/Al and Cr/Al Formed on Polyimide Substrate // Acta Astronautica. — 2019 (160), 489—498Pavlenko V.I., Cherkashina N.I., and Zaitsev S.V. Fabrication and Characterization of Nanocomposite Films Al, Cu/Al and Cr/Al Formed on Polyimide Substrate // Acta Astronautica. — 2019 (160), 489—498Santos M.D., Fukumasu N.K., Tschiptschin A.P., Lima N.B., Figueroa C.A., Weber J.S., Souza R.M., and Machado I.F. Effect of Ti/Si and Ti/TiN/Si Interlayers on the Structure, Properties, and Tribological Behavior of an a-C Film Deposited onto a C17200 Copper-Beryllium Alloy // Surface and Coatings Technology. — 2022 (441), 128561Santos M.D., Fukumasu N.K., Tschiptschin A.P., Lima N.B., Figueroa C.A., Weber J.S., Souza R.M., and Machado I.F. Effect of Ti/Si and Ti/TiN/Si Interlayers on the Structure, Properties, and Tribological Behavior of an a-C Film Deposited onto a C17200 Copper-Beryllium Alloy // Surface and Coatings Technology. — 2022 (441), 128561Liu L., Wu Z., An X., Xiao S., Cui S., Lin H., Fu R.K.Y., Tian X., Wei R., Chu P.K., and Pan F. Excellent Adhered Thick Diamond-Like Carbon Coatings by Optimizing Hetero-Interfaces with Sequential Highly Energetic Cr and C Ion Treatment // Journal of Alloys and Compounds. — 2018 (735), 155—162Liu L., Wu Z., An X., Xiao S., Cui S., Lin H., Fu R.K.Y., Tian X., Wei R., Chu P.K., and Pan F. Excellent Adhered Thick Diamond-Like Carbon Coatings by Optimizing Hetero-Interfaces with Sequential Highly Energetic Cr and C Ion Treatment // Journal of Alloys and Compounds. — 2018 (735), 155—162Song Z., Liu Y., Liu Yu., Jiang X., Pilipstou D.G., and Rogachev A.V. Improving the Protective Properties of an Artificial Joint Friction Couple by Using TiN and DLC Films // Surface and Coatings Technology. — 2023 (472), 129944Song Z., Liu Y., Liu Yu., Jiang X., Pilipstou D.G., and Rogachev A.V. Improving the Protective Properties of an Artificial Joint Friction Couple by Using TiN and DLC Films // Surface and Coatings Technology. — 2023 (472), 129944Chen X., Du Y., and Chung Y.-W. Commentary on Using H/E and H3/E2 as Proxies for Fracture Toughness of Hard Coatings // Thin Solid Films. — 2019 (688), 137265Chen X., Du Y., and Chung Y.-W. Commentary on Using H/E and H3/E2 as Proxies for Fracture Toughness of Hard Coatings // Thin Solid Films. — 2019 (688), 137265Lepicka M., Grądzka-Dahlke M., Pieniak D., Pasierbiewicz K., and Niewczas A. Tribological Performance of Titanium Nitride Coatings: A Comparative Study on TiN-Coated Stainless Steel and Titanium Alloy // Wear. — 2019 (422-423), 68—80Lepicka M., Grądzka-Dahlke M., Pieniak D., Pasierbiewicz K., and Niewczas A. Tribological Performance of Titanium Nitride Coatings: A Comparative Study on TiN-Coated Stainless Steel and Titanium Alloy // Wear. — 2019 (422-423), 68—80Беляк О.А., Суворова Т.В., Мантуров Д.С. Исследование триботехнических и механических характеристик износостойких покрытий с учетом их упругопластических свойств // Трение и износ. — 2024 (45), № 5, 410—419Belyak O.A., Suvorova T.V., and Manturov D.S. Study of Tribological and Mechanical Characteristics of Wear-Resistant Coatings Taking into Account Their Elastoplastic Properties // Journal of Friction and Wear. — 2025 (45), no. 5, 280—286Колесников В.И., Кудряков В. И., Кудряков О.В., Воропаев А.И., Колесников И.В., Варавка В.Н., Лифарь М.С., Гуда А.А., Мантуров Д.С., Новиков Е.С. Особенности формирования и прогнозирования триботехнических свойств ионно-плазменных алмазоподобных покрытий при стабилизации азотом // Трение и износ. –—2024 (45), № 1, 16—28Kolesnikov V.I., Kudryakov O.V., Voropaev A.I., Kolesnikov I.V., Varavka V.N., Lifar M.S., Guda A.A., Manturov D.S., and Novikov E.S. Formation and Prediction of the Properties of Ion-Plasma Diamond-Like Coatings under Nitrogen Stabilization // Journal of Friction and Wear. — 2024 (45), no. 1, 9—17Пашков Д.М., Беляк О.А., Гуда А.А., Колесников В.И., Обратное проектирование механических и трибологических свойств покрытий: результаты алгоритмов машинного обучения // Физическая мезомеханика. — 2022, № 2(25), 24—34Pashkov D.M., Belyak O.A., Guda A.A., and Kolesnikov V.I. Reverse Engineering of Mechanical and Tribological Properties of Coatings: Results of Machine Learning Algorithms // Physical Mesomechanics. — 2022, no. 4 (25), 296—305McMaster S.J., Kosarieh S., Liskiewicz T.W., Neville A., and Beake B.D. Utilising H/E to Predict Fretting Wear Performance of DLC Coating Systems // Tribology International. — 2023 (185), 108524McMaster S.J., Kosarieh S., Liskiewicz T.W., Neville A., and Beake B.D. Utilising H/E to Predict Fretting Wear Performance of DLC Coating Systems // Tribology International. — 2023 (185), 108524Robertson J. Diamond-Like Amorphous Carbon // Materials Science and Engineering: R: Reports. — 2002 (37), 129—281Robertson J. Diamond-Like Amorphous Carbon // Materials Science and Engineering: R: Reports. — 2002 (37), 129—281Konshina E.A. and Vangonen A.I. Features of the Vibrational Spectra of Diamond-Like and Polymer-Like a-C:H Films // Semiconductors. — 2005 (39), 585—590Konshina E.A. and Vangonen A.I. Features of the Vibrational Spectra of Diamond-Like and Polymer-Like a-C:H Films // Semiconductors. — 2005 (39), 585—590Ватульян А. О., Беляк О. А. Асимптотический подход к расчету волновых полей в слое с дефектом малого характерного размера // Акустический журнал. — 2020, № 3 (66), 235—241Vatulyan A.O. and Belyak O.A. An Asymptotic Approach to the Calculation of Wave Fields in a Layer with a Defect with a Small Characteristic Size // Acoustical Physics. — 2020 (66), 213—219Беляк О.А., Суворова Т.В. Влияние микроструктуры основания на силы трения при движении плоского штампа // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. — 2018 (3), 25—31Belyak O.A., Suvorova T.V. The effect of the microstructure of the base on the friction forces during the movement of a flat punch // Ekologicheskiy Vestnik Nauchnykh Tsentrov Chernomorskogo Ekonomicheskogo Sotrudnichestva. — 2018, № 3(15), 25—31 (in Russian)

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