Роль объёмной доли МАХ-фазы в формировании оксидной трибоплёнки и механизма изнашивания композитов Cu–Ti₃SiC₂ и Cu–Ti₃AlC₂

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.

1. Makul 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 content

2. Suman 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.2021.05.096

3. Barsoum M.W. and Radovic M. Elastic and Mechanical Properties of the MAX Phases // Annual Review of Materials Research. — 2011 (41), 195—227

4. Ward 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—453

5. Фирстов 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—68

6. 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—51

7. 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—45

8. 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—9980

9. Севостьянов Н.В., Бурковская Н.П., Болсуновская Т.А. Влияние температуры испытаний на триботехнические свойства карбосилицида титана Ti3SiC2 // Труды ВИАМ. — 2019, № 8(80), 36—45

10. 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), 110812

11. Wong K.V. and Hernandez A. A Review of Additive Manufacturing // International Scholarly Research Notices. — 2012 (2012), 208760

12. Frazier W.E. Metal Additive Manufacturing: a Review // Journal of Materials Engineering and performance. — 2014 (23), 1917—1928

13. Алехин 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—177

14. 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—114

15. 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.2024.103142