Исследование триботехнических и механических характеристик износостойких покрытий с учетом их упругопластических свойств

Исследовано влияние упругопластических свойств системы «покрытие — подложка» на механические и триботехнические характеристики покрытий, получаемые в рамках индентирования и трибоиспытаний. Проведён скрининг-эксперимент для вакуумных ионно-плазменных покрытий нитридных систем TiAlN, CrAlSiN, нанесенных на стальные подложки (38Х2МЮА, 12Х2Н4А). Механические свойства покрытий были получены с помощью комплекса «NanoTest 600» методом непрерывного индентирования. Исследование микроструктуры покрытий и рельефа их поверхности с высоким разрешением выполнено двулучевым (электронный/ионный) сканирующим электронным микроскопом ZEISS CrossBeam 340 (SEM). Триботехнические испытания нитридных покрытий проводились на машине трения TRB (Anton Paar Tritec) в соответствии с методиками DIN 50324 и ASTM G99. Процесс индентирования нитридных покрытий был изучен на основе решения квазистатичской контактной задачи о внедрении жёсткого индентора в упругопластическое двухслойное полупространство. Были определены механические характеристики рассматриваемых покрытий H/E и H³/E², условия нарушения адгезии между слоями. Результаты теоретических исследований сопоставлены с результатами лабораторных экспериментов. Установлено, что эксплуатационный ресурс элементов трибосопряжения с покрытиями заданной толщины можно увеличить путём сочетания упругопластических свойств слоистой среды, адаптированных под заданные режимы нагружения, что позволит предотвратить локализацию растягивающих и сжимающих напряжений, отслаивание и трещинообразование на границе раздела двух материалов.

1. Kolesnikov V.I., Pashkov D.M., Belyak O.A., Guda A.A., Danilchenko S.A., Manturov D.S., Novikov E.S., Kudryakov O.V., Guda S.A., Soldatov A.V., and Kolesnikov I.V. Design of Double Layer Protective Coatings: Finite Element Modeling and Machine Learning Approximations // Acta Astronautica. — 2023 (204), 869—877

2. Мантуров Д.С., Колесников И.В., Кудряков О.В., Колесников В.И., Иваночкин П.Г., Данильченко С.А. Влияние базовых технологических факторов получения вакуумных ионноплазменных покрытий TIN на их механические и трибологические характеристики // Трение и износ. — 2023 (44), № 4, 310—321

3. Колесников В.И., Кудряков О.В., Забияка И.Ю., Новиков Е.С., Мантуров Д.С. Структурные аспекты износостойкости вакуумных ионно-плазменных покрытий // Физическая мезомеханика. — 2020 (23), № 1, 62—77

4. Левашов Е.А., Штанский Д.В., Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Петржик М.И., Тюрина М.Я., Шевейко А.Н. Многофункциональные наностpуктуpные покpытия: получение, стpуктуpа и обеспечение единства измеpений механических и тpибологических свойств // Деформация и разрушение материалов. — 2009, № 11, 19—36

5. Торская Е.В. Модели фрикционного взаимодействия тел с покрытиями. — Москва-Ижевск: Ин-т компьютерных исследований. — 2020

6. Шугуров А.Р., Кузьминов Е.Д., Панин С.В. Применение методов анализа оптических изображений поверхностей трения на основе Ti-Al-N для оценки накопления повреждений и диагностики разрушения при трибологических испытаниях // Дефектоскопия. — 2020, № 8, 22—34

7. Leyland A. and Matthews A. On the Significance of the H/E Ratio in Wear Control: a Nanocomposite Coating Approach to Optimised Tribological Behavior // Wear. — 2000 (246), 1—11

8. Ковалева И.Н., Григорьев А.Я., Губенко М.М., Столярова О.О. Механизмы трения бикомпонентных покрытий из термодинамически несовместимых металлов, конденсированных из паров на криогенные поверхности // Трение и износ. — 2016 (37), № 3, 379—382

9. Liskiewicz T., Fouvry S., and Wendler B. Hard Coatings Durability under Fretting Wear // Tribology and Interface Engineering Series. — 2005 (48), 657—665

10. Chen 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), 137265

11. Musil J. and Jirout M. Toughness of Hard Nanostructured Ceramic Thin Films // Surface and Coatings Technology. — 2007, nos. 9–11(201), 5148—5152

12. Łępicka 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—80

13. Sneddon I.N. The Relation Between Load and Penetration in the Axisymmetric Boussinesq Problem for а Punch Arbitrary Profile // International Journal of Engineering Science. — 1965, no. 1(3), 47—57

14. Thurn J. and Cook R.F. Simplified Area Function for Sharp Indenter Tips in Depthsensing Indentation // Journal of Materials Research. — 2002 (17), 1143—1146

15. Tabor D. The Hardness of Metals. — Oxford: Clarendon Press. — 1951