Открытый доступ Открытый доступ  Ограниченный доступ Платный доступ или доступ для подписчиков

Азотирование поверхности титанового сплава Ti6Al4V электроискровым легированием в среде азота

Александр Бурков, Сергей Николенко, Мария Кулик, Александр Карпенко

Аннотация


Исследован процесс электроискрового легирования титанового сплава Ti6Al4V в атмосфере азота в течение 5 – 30 мин путем нанесения покрытий с использованием анода из титановых гранул. Определены износостойкость, коррозионная стойкость и коэффициент трения покрытий. Показано, что приработка титановых гранул в течение 180 мин приводила к накоплению азота во вторичной структуре поверхности титановых гранул. Методами рентгенофазового, энергодисперсионного анализов и Рамановской спекрометрии установлено преобладание фазы нитрида титана на поверхности покрытий. По данным элементного картирования структура покрытия представляла собой композицию из равномерно распределенного нитрида титана в титановой матрице. На поверхности покрытия обнаружены кристаллы TiN правильной формы. Потенциодинамические испытания покрытий в 3,5 % NaCl показали снижение тока коррозии и увеличение сопротивления поляризации с ростом времени электроискрового легирования. Средняя микротвердость покрытий 11,8 – 16,4 ГПа, коэффициент трения 0,47 – 0,58. Наибольшую износостойкость и наименьший коэффициент трения имеет покрытие после 15 мин электроискрового легирования. Показано, что электроискровое азотирование титанового сплава позволяет повысить износостойкость его поверхности до 14 раз.


Ключевые слова


нитрид титана; электроискровое легирование; сплав Ti6Al4V; коррозионная стойкость; износ

Полный текст:

PDF

Литература


Naik G. V., Shalaev V. M., Boltasseva A. Alternative plasmonic materials: beyond gold and silver // Adv. Mater. 2013. V. 25, Is. 24. P. 3264 – 3294. DOI: 10.1002/adma.201205076

Chung K. H., Liu G. T., Duh J. G., Wang J. H. Biocompatibility of a titanium–aluminum nitride film coating on a dental alloy // Surf. Coat. Technol. 2004. V. 188. P. 745 – 749. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2004.07.050

Rudskoy A. I., Belov I. M., Gordeev S. K. et al. Carbon nanostructured implants for substituting bone defects and process of their production // Met. Sci. Heat Treat. 2018. V. 60, Is. 1 – 2. P. 18 – 23. DOI: 10.1007/s11041-018-0234-1

Franks W., Schenker I., Schmutz P., Hierlemann A. Impedance characterization and modeling of electrodes for biomedical applications // IEEE Trans. Biomed. Eng. 2005. V. 52, Is. 7. P. 1295 – 1302. DOI: 10.1109/TBME.2005.847523

Hultman L., Helmersson U., Barnett S. A. et al. Low-energy ion irradiation during film growth for reducing defect densities in epitaxial TiN (100) films deposited by reactive-magnetron sputtering // J. Appl. Phys. 1987. V. 61, Is. 2. P. 552 – 555. DOI: 10.1063/1.338257

Elagina O. Y., Komadynko A. C., Poleshchuk E. D. et al. Prospects for using titanium nitride coatings for the contact surfaces of friction clutches // J. Frict. Wear. 2020. V. 41. P. 25 – 30. DOI: 10.3103/S1068366620010067

Rinner M., Volz K., Ensinger W., Assmann W., Rauschenbach B. Composition and microstructure of titanium nitride formed on Ti6Al4V by nitrogen plasma immersion ion implantation // Surf. Coat. Technol. 1998. V. 100 – 101. P. 366 – 371. DOI: 10.1016/S0257-8972(97)00650-6

Chan C.-W., Quinn J., Hussain I. et al. A promising laser nitriding method for the design of next generation orthopaedic implants: Cytotoxicity and antibacterial performance of titanium nitride (TiN) wear nano-particles, and enhanced wear properties of laser-nitrided Ti6Al4V surfaces // Surf. Coat. Technol. 2021. V. 405. 126714. DOI: 10.1016/j.surfcoat. 2020.126714

Wang M., Ning Y., Zou H. et al. Effect of Nd:YAG laser-nitriding-treated titanium nitride surface over Ti6Al4V substrate on the activity of MC3T3-E1 cells // Bio-Med. Mater. Eng. 2014. V. 24, Is. 1. P. 643 – 649. DOI: 10.3233/BME-130852

Корусенко П. М., Несов С. Н., Поворознюк С. Н. и др. Химический состав и механические свойства покрытий на основе TiN, сформированных с использованием конденсации с ионной бомбардировкой // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2020. Т. 56, № 3. С. 286 – 296. DOI: 10.31857/S0044185620030195

Kaisar N., Huang Y. T., Jou S. et al. Surface-enhanced Raman scattering substrates of flat and wrinkly titanium nitride thin films by sputter deposition // Surf. Coat. Technol. 2018. V. 337. P. 434 – 438. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.01.048

Jen Y. J., Lin M. J., Cheang H. L., Chan T. L. Obliquely deposited titanium nitride nanorod arrays as surface-enhanced Raman scattering substrates // Sensors. 2019. V. 19, Is. 21. 4765. DOI: 10.3390/s19214765

Kayali Y., Talaş Ş. Investigation on wear behavior of steels coated with WC by ESD technique // Protect. Met. Phys. Chem. Surf. 2021. V. 57. P. 106 – 112. DOI: 10.1134/ S2070205120060131

Иванов В. И., Коневцов Л. А. Методологические аспекты применения электроискрового легирования. Ч. 2: Разработка методологии исследования, критериев и показателей эффективности // Технический сервис машин. 2020. № 4. С. 100 – 113. DOI: 10.22314/2618-8287-2020-58-4-100-113

Бурков А., Кулик М., Быцура А. Структура и свойства Al – Ni – Fe-покрытий на стали 35, полученных методом электроискрового легирования // МиТОМ. 2024. № 7. С. 22 – 30. DOI: 10.30906/mitom.2024.7.22-30

Николенко С. В., Сюй Н. А. Исследование покрытий, полученных методом электроискровой обработки стали 45 электродами на основе карбидов вольфрама и титана // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2017. Т. 53, № 5. С. 543 – 549. DOI: 10.7868/S0044185617050151

Xiang H. O. N. G., Tan Y. F., Wang X. L. et al. Effects of nitrogen flux on microstructure and tribological properties of in-situ TiN coatings deposited on TC11 titanium alloy by electrospark deposition // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2015. V. 25, Is. 10. P. 3329 – 3338. DOI: 10.1016/ S1003-6326(15)63990-5

Пячин С. А., Бурков А. А. Нитрирование поверхности титана электроразрядным воздействием // Цветные металлы. 2017. № 4. С. 62 – 68. DOI: 10.17580/tsm.2017.04.09

Бурков А. А., Кулик М. А. Износостойкие и антикоррозионные покрытия на основе карбида хрома Cr7C3, полученные электроискровым осаждением // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2020. Т. 56, № 6. С. 667 – 672. DOI: 10.31857/S0044185620060066

Burkov A. A., Chigrin P. G. Synthesis of Ti – Al intermetallic coatings via electrospark deposition in a mixture of Ti and Al granules technique // Surf. Coat. Technol. 2020. V. 387. 125550. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125550

Chen Z., Zhou Y. Surface modification of resistance welding electrode by electro-spark deposited composite coatings: Part I. Coating characterization // Surf. Coat. Technol. 2006. V. 201, Is. 3 – 4. P. 1503 – 1510. DOI: 10.1016/j.surfcoat. 2006.02.015

Cheng P., Ye T., Zeng H., Ding J. Raman spectra investigation on the pressure-induced phase transition in titanium nitride (TiN) // AIP Advances. 2020. V. 10, Is. 4. 045110. DOI: 10.1063/1.5128882

Chen C. C., Liang N. T., Tse W. S. et al. Raman spectra of titanium nitride thin films // Chin. J. Phys. 1994. V. 32, Is. 2. P. 205 – 210.

Spengler W., Kaiser R., Christensen A. N., Müller-Vogt G. Raman scattering, superconductivity, and phonon density of states of stoichiometric and nonstoichiometric TiN // PRB. 1978. V. 17, Is. 3. 1095. DOI: 10.1103/PhysRevB.17.1095




DOI: https://doi.org/10.30906/mitom.2025.12.12-19

© Издательский дом «Фолиум», 1998–2026