blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-1-27-34blackmet-2475Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEНапыление износостойких покрытий из плакированных порошков TiB\(_{2}\)/Ti и HfB\(_{2}\)/TiSpraying of TiB\(_{2}\)/Ti and HfB\(_{2}\)/Ti composite powder wear-resistant coatingsГошкодеряМ. Е.GoshkoderyaM. E.

Михаил Евгеньевич Гошкодеря, инженер

Россия, 191015, Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, 49

Mikhail E. Goshkoderya, Cand. Sci. (Eng.), Engineer

49 Shpalernaya Str., St. Petersburg 191015, Russian Federation

gosmike@yandex.ruБобковаТ. И.BobkovaT. I.

Татьяна Игоревна Бобкова, к.т.н., начальник лаборатории

Россия, 191015, Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, 49

Tat’yana I. Bobkova, Cand. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory

49 Shpalernaya Str., St. Petersburg 191015, Russian Federation

mail@crism.ruБогдановС. П.BogdanovS. P.

Сергей Павлович Богданов, к.т.н., доцент

Россия, 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 24-26/49

Sergei P. Bogdanov, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof.

24-26/49 Moskovskii Ave., St. Petersburg 190013, Russian Federation

BogdanovSP@mail.ruКрасиковА. В.KrasikovA. V.

Алексей Владимирович Красиков, к.х.н., заместитель начальника

Россия, 191015, Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, 49

Aleksei V. Krasikov, Cand. Sci. (Chem.), Deputy Head of Research Department

49 Shpalernaya Str., St. Petersburg 191015, Russian Federation

mail@crism.ruСтарицынМ. В.StaritsynM. V.

Михаил Владимирович Старицын, инженер

Россия, 191015, Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, 49

Mikhail V. Staritsyn, Engineer

49 Shpalernaya Str., St. Petersburg 191015, Russian Federation

mail@crism.ruКаширинаА. А.KashirinaA. A.

Анастасия Анверовна Каширина, инженер

Россия, 191015, Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, 49

Anastasiya A. Kashirina, Engineer

49 Shpalernaya Str., St. Petersburg 191015, Russian Federation

mail@crism.ruЦНИИ КМ «Прометей» имени академика И.В. Горынина НИЦ «Курчатовский институт»РоссияAcademician I.V. Gorynin Central Research Institute of Structural Materials “Prometey”, National Research Center “Kurchatov Institute”Russian FederationСанкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)РоссияSt. Petersburg State Institute of TechnologyRussian Federation2023200220236612734Copyright © Гошкодеря М.Е., Бобкова Т.И., Богданов С.П., Красиков А.В., Старицын М.В., Каширина А.А., 20232023Гошкодеря М.Е., Бобкова Т.И., Богданов С.П., Красиков А.В., Старицын М.В., Каширина А.А.Goshkoderya M.E., Bobkova T.I., Bogdanov S.P., Krasikov A.V., Staritsyn M.V., Kashirina A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2475

В представленной работе приведены результаты по синтезу композиционных плакированных порошковых систем с типом строения «ядро–оболочка» для напыления износостойких металлокерамических покрытий. Для синтеза композиционного порошка в качестве ядра использованы порошки высокотвердых боридов TiB2 и HfB2 , а для создания оболочки на их поверхности – титан. Синтез плакирующего слоя осуществляли йодотранспортным методом. Плакирование порошка используемым методом подразумевает осаждение одного компонента на другой посредством газотранспорта, агентом которого выступает йод. Напыление композиционных плакированных порошков систем TiB2 /Ti и HfB2 /Ti осуществляли микроплазменным методом, который, в отличие от классического плазменного напыления, позволяет минимизировать фазовые превращения в композиционных порошках из-за термического воздействия. При исследовании поперечных микрошлифов напыленных покрытий определено, что в процессе микроплазменного напыления титан насыщается кислородом, образуя фазу диоксида титана. В результате плакированные композиционные порошки систем TiB2 /Ti и HfB2 / Ti превращаются в покрытия из систем TiB2 (TiB)/Ti(TiO2 ) и HfB2 /Ti(TiO2 ). Выявлены особенности распределения компонентов по толщине покрытия. Исследования твердости показали, что у покрытий на основе диборида титана интегральное значение микротвердости составляет 1300 HV. У покрытий на основе диборида гафния интегральная микротвердость составила порядка 1600 HV. При исследовании износостойкости пары с покрытиями TiB2 (TiB)/Ti(TiO2 ) и HfB2 /Ti(TiO2 ) сопрягались с контртелом образца из стали 45Х без покрытия и совместно друг с другом. Несмотря на менее высокую микротвердость, наиболее износостойким является покрытие системы TiB2 (TiB)/Ti(TiO2 ).

In this paper we studied the synthesis of composite core-shell powders sprayed as wear-resistant metal-ceramic coatings. High-hardness TiB2 and HfB2 powders form the core, and the shell is made of titanium. The cladding was applied by iodide transport technology. This cladding method involves deposition by gas transport with iodine as an agent. The TiB2 /Ti and HfB2 /Ti composite powders were sprayed using microplasma technology. In contrast to conventional plasma spraying, it minimizes the phase transformations in the composite powders induced by heating. Analysis of the final coating on polished cross sections revealed that during microplasma spraying, the titanium is oxygenated and it produces a titanium dioxide phase. As a result, the TiB2 /Ti and HfB2 / Ti composite powders are transformed into TiB2 (TiB)/Ti(TiO2 ) and HfB2 /Ti(TiO2 ) coatings. We also studied the distribution of the components across the coating. The hardness measurements showed that the titanium diboride coatings obtain microhardness of 1300 HV. The microhardness of the hafnium diboride coatings is about 1600 HV. For abrasion testing of the TiB2 (TiB)/Ti(TiO2 ) and HfB2 /Ti(TiO2 )) coatings we used uncoated alloyed 45Kh steel (similar to EU grade: 41Cr4) and the specified coatings as an abradant material. Despite their lower microhardness, the TiB2 (TiB)/Ti(TiO2 ) coating showed the highest abrasion resistance.

износостойкие покрытияплакированные композиционные порошкидиборид титана/титандиборид гафния/титанмикроплазменное напылениезащитные и восстановительные покрытияwear-resistant coatingsclad composite powderstitanium diboride/titaniumhafnium diboride/titaniummicroplasma sprayingprotective and restorative coatingsИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда, проект № 21-73-30019.The work was carried out as part of the Project No. 21-73-30019 supported by the Russian Science Foundation.ReferencesГерасимова Н.С. Основные виды композиционных материалов и керамики: Учебное пособие. Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана; 2019: 32.Gerasimova N.S. The Main Types of Composite Materials and Ceramics: Manual. Bauman Moscow State Technical University; 2019: 32. (In Russ.).Иванцов А.Е., Рожкова Г.А. Бориды: Методическое указание. Казань: Казанский государственный технологичес­кий университет; 2006: 19.Ivantsov A.E., Rozhkova G.A. Borides: Methodical instruction. Kazan: Kazan State Technol. University; 2006: 19. (In Russ.).Goncharov A.A., Dub S.N., Agulov A.V., Petukhov V.V.Goncharov A.A., Dub S.N., Agulov A.V., Petukhov V.V. Structure, composition, and mechanical properties of thin films of transition metals diborides. Journal of Superhard Materials. 2015; 37(6): 422–428. https://doi.org/10.3103/S1063457615060076Structure, composition, and mechanical properties of thin films of transition metals diborides. Journal of Superhard Materials. 2015; 37(6): 422–428. https://doi.org/10.3103/S1063457615060076Liang R., Shiota T., Omiya Y., Fujii M. Dry friction and wear behavior of various boride hard coating films. The Proceedings of Conference of Chugoku-Shikoku Branch. 2021; 59: 05b1. https://doi.org/10.1299/jsmecs.2021.59.05b1Liang R., Shiota T., Omiya Y., Fujii M. Dry friction and wear behavior of various boride hard coating films. The Proceedings of Conference of Chugoku-Shikoku Branch. 2021; 59: 05b1. https://doi.org/10.1299/jsmecs.2021.59.05b1Портнова Е.Н. Получение ультравысокотемпературных керамических материалов на основе диборидов циркония и гафния. Диссертация … кандидата технических наук. Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет; 2016: 137.Portnova E.N. Production of ultra-high-temperature ceramic materials based on zirconium and hafnium diborides: Cand. Tech. Sci. Diss. Perm National Research Polytechnic University; 2016: 137. (In Russ.).Jayaraman S., Gerbiac J.E., Yangac Y., Kimbc D.Y., Chatterjeeac A., Bellonac P., Girolamibc G.S., Chevalierd J.P., Abelsonac J.R. HfB2 and Hf–B–N hard coatings by chemical vapor deposition. Surface and Coatings Technology. 2006; 200 (22–23): 6629–6633. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.11.040Jayaraman S., Gerbiac J.E., Yangac Y., Kimbc D.Y., Chatterjeeac A., Bellonac P., Girolamibc G.S., Chevalierd J.P., Abelsonac J.R. HfB2 and Hf–B–N hard coatings by chemical vapor deposition. Surface and Coatings Technology. 2006; 200 (22–23): 6629–6633. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.11.040Дугин С.Н., Гребенников А.В., Богачев Е.А., Гуркова Э.Л., Стороженко П.А., Коломийцев И.А., Степанов Г.В. Способ нанесения окислительностойких и ультравысокотемпературных покрытий из диборидов титана, циркония и гафния на композиционные мате­риалы. Патент РФ № 2 675 618. Опубл. 20.12.2018.Dugin S.N., Grebennikov A.V., Bogachev E.A., Gur­kova E.L., Storozhenko P.A., Kolomiitsev I.A., Stepanov G.V. Method of applying oxidation-resistant and ultra-high-temperature coatings of titanium, zirconium and hafnium diborides to composite material. Patent RF no. 2 675 618. Publ. 20.12.2018 (In Russ.).Pavese M., Fino P., Badini C., Ortona A., Marino G. HfB2/SiC as a protective coating for 2D Cf/SiC composites: Effect of high temperature oxidation on mechanical properties. Surface and Coatings Technology. 2008; 202 (10): 2059–2067. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.08.037Pavese M., Fino P., Badini C., Ortona A., Marino G. HfB2/SiC as a protective coating for 2D Cf/SiC composites: Effect of high temperature oxidation on mechanical properties. Surface and Coatings Technology. 2008; 202 (10): 2059–2067. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.08.037Ren X., Li H., Chu Y., Fu Q., Li K. Ultra-high-temperature ceramic HfB2-SiC coating for oxidation protection of SiC-coated carbon/carbon composites. International Journal of Applied Ceramic Technology. 2015; 12 (3): 560–567. https://doi.org/10.1111/ijac.12241Ren X., Li H., Chu Y., Fu Q., Li K. Ultra-high-temperature ceramic HfB2-SiC coating for oxidation protection of SiC-coated carbon/carbon composites. International Journal of Applied Ceramic Technology. 2015; 12 (3): 560–567. https://doi.org/10.1111/ijac.12241Zhou L., Zhang J., Hu D., Fu Q., Ding W., Hou J., Liu B., Tong M. High temperature oxidation and ablation behaviors of HfB2-SiC/SiC coatings for carbon/carbon composites fabricated by dipping-carbonization assisted pack cementation. Journal of Materials Science & Technology. 2022; 111: 88–98. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.08.092Zhou L., Zhang J., Hu D., Fu Q., Ding W., Hou J., Liu B., Tong M. High temperature oxidation and ablation behaviors of HfB2-SiC/SiC coatings for carbon/carbon composites fabricated by dipping-carbonization assisted pack cementation. Journal of Materials Science & Technology. 2022; 111: 88–98. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.08.092Zhang P., Fu Q., Cheng C., Sun J., Zhang J., Xu M., Zhu X. Micro­structure evolution of in-situ SiC-HfB2-Si ternary coating and its corrosion behaviors at ultra-high temperatures. Journal of the European Ceramic Society. 2021; 41(13): 6223–6237. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.05.058Zhang P., Fu Q., Cheng C., Sun J., Zhang J., Xu M., Zhu X. Micro­structure evolution of in-situ SiC-HfB2-Si ternary coating and its corrosion behaviors at ultra-high temperatures. Journal of the European Ceramic Society. 2021; 41(13): 6223–6237. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.05.058Потанин А.Ю., Погожев Ю.С., Рупасов С.И., Швындина Н.В., Левашов Е.А. Получение СВС-керамики HfB2-SiC для высокотемпературных областей применения. В кн.: Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка: Материалы 14-й Международной научно-технической конференции, посвященной 60-летию порошковой металлургии Беларуси, Минск, 9–11 сентяб­ря 2020 года. Минск: ИД «Белорусская наука»; 2020: 409–414.Potanin A.Yu., Pogozhev Yu.S., Rupasov S.I., Shvyndina N.V., Levashov E.A. Obtaining SHS-ceramics HfB2-SiC for high-temperature applications. In: New Materials and Technologies: Powder Metallurgy, Composite Materials, Protective Coatings, Welding: Materials of the 14th Int. Sci. and Tech.Conf. Dedicated to the 60th Anniversary of Powder Metallurgy of Belarus, Minsk, September 9–11, 2020. Minsk: Belorusskaya nauka; 2020: 409–414. (In Russ.).Швалева Н.А., Иванов М.Е. Совершенствование конструкции и технологии изготовления стакана РДТТ. Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2017; 1(13): 47–49.Shvaleva N.A., Ivanov M.E. Improving the design and manufacturing technology of the RTTT glass. Aktual’nye problemy aviatsii i kosmonavtiki. 2017; 1(13): 47–49. (In Russ.).Nisar A., Balani K. Phase and microstructural correlation of spark plasma sintered HfB2-ZrB2 based ultra-high temperature ceramic composites. Coatings. 2017; 7(8): 110. https://doi.org/10.3390/coatings7080110Nisar A., Balani K. Phase and microstructural correlation of spark plasma sintered HfB2-ZrB2 based ultra-high temperature ceramic composites. Coatings. 2017; 7(8): 110. https://doi.org/10.3390/coatings7080110Monteverde F. Ultra-high temperature HfB2–SiC cera­mics consolidated by hot-pressing and spark plasma sintering. Journal of Alloys and Compounds. 2007; 428(1–2): 197–205. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.01.107Monteverde F. Ultra-high temperature HfB2–SiC cera­mics consolidated by hot-pressing and spark plasma sintering. Journal of Alloys and Compounds. 2007; 428(1–2): 197–205. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.01.107Zapata-Solvas E., Jayaseelan D.D., Lin H.T., Brown P., Lee W.E. Mechanical properties of ZrB2-and HfB2-based ultra-high temperature ceramics fabricated by spark plasma sintering. Journal of the European Ceramic Society. 2013; 33(7): 1373–1386. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2012.12.009Zapata-Solvas E., Jayaseelan D.D., Lin H.T., Brown P., Lee W.E. Mechanical properties of ZrB2-and HfB2-based ultra-high temperature ceramics fabricated by spark plasma sintering. Journal of the European Ceramic Society. 2013; 33(7): 1373–1386. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2012.12.009Гращенков Д.В., Сорокин О.Ю., Лебедева Ю.Е., Ваганова М.Л. Особенности спекания тугоплавкой керамики на основе HfB2 методом гибридного искрового плазменного спекания. Журнал прикладной химии. 2015; 88(3): 379–386.Grashchenkov D.V., Sorokin O.Yu., Lebedeva Yu.E., Vaganova M.L. Specific features of sintering of HfB2-based refractory ceramic by hybrid spark plasma sintering. Russian Journal of Applied Chemistry. 2015; 88(3): 379–386. https://doi.org/10.1134/S1070427215030040Богданов С.П. Получение покрытий на порошках методом йодного транспорта. Физика и химия стекла. 2011; 37(2): 229–237.Bogdanov S.P. Preparation of coatings on powders by the iodide transport method. Glass Physics and Chemistry. 2011; 37(2): 172. https://doi.org/10.1134/S1087659611020040Богданов С.П. Йодотранспортный метод получения покрытий на порошках. Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института. Химия и химическая технология. Технология неорганических веществ. 2012; 16(42): 24–28.Bogdanov S.P. Iodotransport method of obtaining coatings on powders. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo instituta. Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya. Tekhnologiya neorganicheskikh veshchestv. 2012;16 (42): 24–28. (In Russ.).Корнев А.Б., Кулик Ю.Г., Фунтикова Е.В. К вопросу стратегии восстановления деталей газотермическим напылением. Судостроение и ремонт. Вестник Волжского государственного университета водного транспорта. 2004: 166–174.Kornev A.B., Kulik Yu.G., Funtikova E.V. On the strategy for restoring parts by gas–thermal spraying. In: Sudostroenie i remont. Vestnik Volzhskogo gosudarstvennogo universiteta vodnogo transporta. 2004: 166–174. (In Russ.).Калита В.И., Комлев Д.И. Плазменные покрытия с нанокристаллической и аморфной структурой. Москва: Лидер М; 2008: 388.Kalita V.I., Komlev D.I. Plasma Coatings with Nanocrystalline and Amorphous Structure: Monograph. Moscow: Li­der M; 2008: 388. (In Russ.).Гошкодеря М.Е., Бобкова Т.И. Разработка новых композиционных материалов объемноармированной конфигурации на основе системы Ti/TiB2 для напыления износостойких покрытий, эффективных при воздействии отрицательных температур. В кн.: Сборник тезисов VIII Всероссийского молодежного научного форума «OpenScience 2021», Гатчина, 17–19 ноября 2021: 105–106.Goshkoderya M.E., Bobkova T.I. Development of new composite materials of volumetrically reinforced configuration based on the Ti/TiB2 system for spraying wear-resistant coatings effective under negative temperatures. In: Coll. of Abstracts of the VIII All-Russ. Youth Sci. Forum “OpenScience 2021”, Gatchina, November 17–19, 2021: 105–106. (In Russ.).Goshkoderya M.E., Bobkova T.I., Staritsyn M.V. Investigation of Ti/TiB2 system composite coatings sprayed by microplasma method. Journal of Physics: Conference Series. 2022; 2182(1): 012073.Goshkoderya M.E., Bobkova T.I., Staritsyn M.V. Investigation of Ti/TiB2 system composite coatings sprayed by microplasma method. Journal of Physics: Conference Series. 2022; 2182(1): 012073.Крутский Ю.Л., Черкасова Н.Ю., Гудыма Т.С., Нецкина О.В., Крутская Т.М. Дибориды некоторых переходных металлов: свойства, области применения и методы получения. Часть 1. Дибориды титана и ванадия (обзор). Известия вузов. Черная металлургия. 2021; 64(2): 149–164. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-2-149-164Krutskii Yu.L., Cherkasova N.Yu., Gudyma T.S., Netskina O.V., Krutskaya T.M. Diborides of transition metals: Properties, application and production. Review. Part 1. Titanium and vanadium diborides. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2021; 64(2): 149–164. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-2-149-164Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения: Справочник. Москва: Металлургия; 1976: 500.Samsonov G.V., Vinitskii I.M. Refractory Compounds (Hand­book). Moscow: Metallurgy; 1976: 500. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.