Разработан метод нанесения защитных покрытий, увеличивающий твердость металлических изделий

Защитные покрытия, содержащие титан, активно используются при производстве различных медицинских изделий, микроэлектроники и детекторов электромагнитного излучения. Они очень тонкие: в 20 раз тоньше человеческого волоса, однако хорошо предотвращают быстрый износ металлических материалов. Чтобы получить такую защитную тонкую пленку, титан нагревают в вакууме при 1200–1250°С. Однако такой метод часто ведет к появлению трещин в защитном слое.

Российские ученые предложили наносить титаносодержащие покрытия методом индукционно-термического вакуумного распыления. Новая технология состоит в том, что металл, на котором нужно сформировать защитную пленку, разогревали, используя индуктор – нагревательный элемент, который бесконтактно и импульсно генерировал в образце вихревой электрический ток. Это приводило к быстрому и равномерному нагреву металла. Титановый материал для пленки также нагревали в вакууме до температуры испарения. После этого всю систему охлаждали для формирования необходимой микроструктуры слоя.

Исследователи определили, что качество покрытия зависит от нескольких факторов. Нужно регулировать температуру нагрева стальной основы, на которую наносится титановая пленка. Было обнаружено, что оптимальный диапазон составил 850–1000°С. Кроме того, важно учесть химический состав образующегося слоя: при указанной температуре в вышележащий слой проникает углерод, который, соединяясь с титаном, образует карбид сложного состава, что придает дополнительную твердость. Важно также учесть время нанесения пленки. Оптимальное содержание углерода (42–46%) наблюдалось при обработке в течение десяти минут. Более быстрый или медленный процесс приводил к уменьшению количества карбидных соединений и снижению твердости.

Так российские ученые определили, что строго контролируя температуру, мощность индукционного нагревательного устройства, продолжительность нанесения защитного слоя, можно значительно увеличить твердость чистых металлов и углеродсодержащих сплавов. Исследование было поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ). Результаты работы опубликованы в журнале Composite Structures.

Фото: Александр Фомин (Научный коллектив лаборатории электротермической обработки при кафедре «Материаловедение и биомедицинская инженерия» СГТУ имени Ю. А. Гагарина)