Ученые ТПУ разработали градиентную микроархитектуру алмазных покрытий для сверхпрочного режущего инструмента
Результаты исследований показали, что такие покрытия с плавным микроструктурным переходом уменьшают риск образования локальных дефектов и разрушений покрытий режущего инструмента под нагрузкой. Новый подход в будущем позволит создавать более долговечные инструменты и механизмы для работы в жестких условиях эксплуатации.
Обработка высокоабразивных материалов, например, армированных композитов, графитов различной плотности, алюмокремниевых сплавов, требует от режущего инструмента высокой твердости и износостойкости. Для этого инструмент часто покрывают алмазными пленками – они придают оборудованию высокую твердость и прочность, а также термостойкость. Однако, однослойные покрытия, как микро-, так и нанокристаллические, имеют ряд ограничений, снижающих их эксплуатационную надежность.
«Градиентная архитектура комбинирует преимущества разных структур в одном покрытии: твердость и сопротивление износу обеспечивается за счет микрокристаллической структуры (MCD), а гладкость и повышение трещиностойкости дает нанокристаллическая структура (NCD). Особый интерес здесь заключается именно в "стыках" между MCD и NCD. Мы провели исследование и выяснили, что плавность перехода влияют на адгезию к подложке, износостойкость и трение. В сравнении с другими покрытиями градиентная структура позволяет снизить риск образования локальных дефектов и разрушения покрытий режущего инструмента под нагрузкой», — отмечает один из авторов исследования, младший научный сотрудник научно-производственной лаборатории «Импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий» ТПУ Александр Митулинский.
Покрытия с градиентной структурой создавались методом химического осаждения из газовой фазы на кремниевых подложках и на шариках из карбида кремния. Градиент строился за счет медленного нарастания содержания метана в газовой смеси в течение восьми часов. Такая конфигурация покрытия снижает концентрацию внутренних напряжений и препятствует появлению крупных трещин, которые приводят к быстрому износу покрытий и, как следствие, поломке инструмента.
Полученные покрытия тестировали на трение, износ и адгезию. Кроме того, новый подход к созданию покрытия политехники впервые сравнили с существующими конфигурациями покрытий – монолитными и двухслойными.
«Предложенная нами структура показала наибольшую эффективность в сравнении с существующими конфигурациями. Она сочетает в себе низкую шероховатость, высокую износостойкость и высокую адгезионную прочность. А плавный микроструктурный переход между снижает остаточные напряжения и препятствует распространению трещин в покрытии», — добавляет Александр Митулинский.
В исследовании принимали участие ученые научно-производственной лаборатории «Импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий» Инженерной школы новых производственных технологий и Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политеха.
Источник: пресс-служба Томского политехнического университета