Исследование триботехнических характеристик инновационных износостойких покрытий для высокоскоростной обработки резанием

Цель работы — повышение эффективности высокоскоростной лезвийной обработки резанием жаропрочных сплавов за счёт улучшения триботехнических характеристик износостойких покрытий, достигнутых за счёт использования многокомпонентных катодов-мишеней из спеченных высокоэнтропийных сплавов при нанесении магнетронным способом.
Разработаны технологии изготовления высокоэнтропийных катодов-мишеней (диаметром 20 мм и 70 мм), получаемых высокотемпературным искровым плазменным спеканием порошковых композиций с различным процентным содержанием следующих элементов: Al; Cr; Hf; Mo; Nb; Ni; Ta; Ti; V; W; Zr; обеспечен контроль их параметров: плотность, гранулометрический анализ, электропроводность, твёрдость и трещиностойкость. Морфологию спеченных образцов исследовали методом сканирующей электронной микроскопии и энерго-дисперсионного анализа. Изготовлена технологическая оснастка для магнетронной системы нанесения покрытий в различных газовых средах. Проведены триботехнические испытания на трибометрах и при лезвийной обработке резанием различных марок сталей и сплавов, по результатам которых определены наиболее эффективные составы многослойных композиционных наноструктурированных высокоэнтропийных износостойких покрытий, в частности Al20Ti20Zr15V15Cr15Nb15 и Al20Hf10Ni15Ti25W10Zr20, обеспечивающие повышение производительности лезвийной обработки резанием хромоникелевых сплавов ЭИ 654 и ЭИ698 ВД.
Проведены сравнительные испытания промышленно используемых износостойких покрытий и покрытий из высокоэнтропийных катодов-мишеней: Al20Hf10Ni15Ti25W10Zr20; Al20Ti20Zr15V15Cr15Nb15; Al20Hf15V15Cr15Ti15Ta10W10; Ti15Zr15Cr15Ni10W10V10Nb15Al10; Ti20Hf15Mo15W10V10Nb15Al15 и другие. По результатам исследований при продольном точении хромоникелевых сплавов ЭИ-654 и ЭИ-698 ВД подтверждено увеличение эффективности применения высокоэнтропийных покрытий на режущем инструменте в среднем на 20—25 %.

1. Верещака А. А., Григорьев С.Н., Табаков В.П. Многослойные наноструктурированные износостойкие покрытия для металлорежущего инструмента. — М: Инфра-Инженерия. — 2025

2. Kumar J., Linda A., Sadhasivam M., Pradeep K.G., Gurao N.P., and Biswas K. The Effect of Si Addition on the Structure and Mechanical Properties of Equiatomic CoCrFeMnNi High Entropy Alloy by Experiment and Simulation // Materialia. — 2023 (27), Art. no. 101707. DOI: 10.1016/j.mtla.2023.101707

3. Zhang Y., Wang D., and Wang S. High-Entropy Alloys for Electrocatalysis: Design, Characterization, and Applications // Small. — 2022 (18), no. 7, Art. no. 2104339. DOI: 10.1002/smll.202104339

4. Zhou Y., Shen X., Qian T., Yan C., and Lu J. A Review on the Rational Design and Fabrication of Nanosized Highentropy Materials // Nano Research. — 2022 (16), no. 5, 7874—7905. DOI: 10.1007/s12274-0235419-2

5. Meng F., Zhang W., Zhou Z., Sheng R., Chuang A.C.-P., Wu C., Huang H., Li X., Zhang S., Zhang H., Zhu L., Jiang L., Liaw P.K., Chen S., and Tong Y. Charge Transfer Effect on Local Lattice Distortion in a HfNbTiZr High Entropy Alloy // Scripta Materialia. — 2021 (203), Art. no. 114104. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2021.114104

6. Рогачев А.С. Структура, стабильность и свойств высокоэнтропийных сплавов // Физика металлов и металловедение. — Российская академия наук. — 2020 (121), № 8, 807—814

7. Migranov M.Sh., Shekhtman S.R., and Gusev A.S. Synthesizing Low-Wear Cathodic Coatings from Multi-Component Alloys with a High-Entropy Effect // Proceedings of the 9th International Conference on Industrial Engineering. ICIE 2023. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-38126-3_71

8. Migranov M.Sh., Grigoriev S.N., Shekhtman S.R., Suhova N.A., Gusev A.S. Synthesizing High-Entropy Cutting Tool Coatings Using the Magnetron Sputtering Method. Proceedings of the 10th International Conference on Industrial Engineering, Sochi, Russian Federation, 19–24 мая 2024 года. — Sochi: Springer. — 2024, 774—782. DOI 10.1007/978-3-031-65870-9_72

9. Григорьев С.Н., Мигранов М.Ш., Волосова М.А., Гусев А.С. Спеченные порошковые высокоэнтропийные катоды-мишени для износостойких покрытий // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. — 2023 (66), № 4, 410—414. DOI: 10.17073/0368-0797-2023-4-410-414

10. Легаев В.П., Генералов Л.К., Галковский О.А. Аналитический обзор существующих гипотез о природе трения // Вестник Московского авиационного института. — 2019 (26), № 1, 174—181

11. Прибор для исследования адгезивного взаимодействия: патент на полезную модель № 34249, 24 июня 2003 г. / Л.Ш. Шустер, М.Ш. Мигранов

12. Шустер Л.Ш., Криони Н.К., Шолом В.Ю., Мигранов М.Ш. Покрытия и смазка в высокотемпературных подвижных сопряжениях и металлообработке. — М.: Машиностроение. — 2008

13. Zibing An, Shengcheng Mao, Yinong Liu, Li Wang, Hao Zhou, Bin Gan, Ze Zhang, and Xiaodong Han. A Novel HfNbTaTiV High-Entropy Alloy of Superior Mechanical Properties Designed on the Principle of Maximum Lattice Distortion // Journal of Materials Science and Technology. — 2021 (79), 109—117

14. Ye Y.F., Wang Q., Lu J., Liu C.T., and Yang Y. High-Entropy Alloy: Challenges and Prospects // Materials Today. — 2016 (19), no. 6, 349—362. DOI: 10.1016/j.mattod.2015.11.026

15. Юрченко Н.Ю. Разработка и исследование высокоэнтропийных сплавов с высокой удельной прочностью на основе системы Al-Cr-Nb-Ti-VZr: дис. … канд. техн. наук: 05.16.01. — Белгород. — 2019