Исследованы структура и свойства покрытий, полученных наплавкой смесей порошков хрома и карбида хрома на низкоуглеродистую сталь Ст3. Показано, что износостойкость наплавленных слоев определяется характером образующейся структуры, а коррозионная стойкость — содержанием в них хрома. Подобран режим наплавки, позволяющий получить бифункциональные покрытия, обладающие одновременно достаточно высокими значениями износостойкости и коррозионной стойкости.

Проанализированы особенности адгезии покрытий на основе никеля, полученных высокоскоростным напылением на стальную основу с различной поверхностной морфологией. Показано, что ультразвуковая финишная обработка создает на поверхности основы волнистый субмикрорельеф, обеспечивающий формирование надежной адгезионной связи между покрытием и основой. Ультразвуковая финишная обработка предлагается как способ подготовки поверхности перед высокоскоростным газопламенным нанесением покрытий.

Исследован характер отслоения покрытия SiAlN, напыленного на подложку Cu в процессе термоциклирования, одноосного растяжения и знакопеременного изгиба. Выявлено многоуровневое распределение напряжений и деформаций на границе раздела покрытие - подложка, обусловленное необходимостью совместности деформации покрытия и подложки, которые характеризуются различными модулями Юнга и коэффициентами теплового расширения.

Проведено изучение структуры, микротвердости и износостойкости аустенитных покрытий с карбидным упрочнением, нанесенных с помощью аргонодуговой наплавки. Установлено, что в процессе наплавки и старения в покрытии формируется структура с мультимодальным распределением частиц упрочняющей фазы по размерам, которая приводит к равномерному распределению микротвердости и повышению абразивной износостойкости упрочненного слоя.

Исследованы структурные характеристики и трибомеханические свойства покрытий на основе системы Ti-Al-N, полученных в условиях магнетронного напыления без и с сопровождением ионной бомбардировкой, а также путем послойного напыления с ионнолучевой обработкой каждого слоя. Установлен характер влияния температуры осаждения и способа ионной обработки на микро- и нанотвердость, модуль упругости и износостойкость покрытий. На основании анализа фазового и химического состава покрытий и определения уровня внутренних упругих напряжений, параметра решетки, среднего размера и кристаллографической ориентировки зерен основной фазы Ti1-хAlхN обсуждаются возможные механизмы наблюдаемого изменения свойств покрытий.

Представлены результаты экспериментального исследования модификации покрытий на основе TiN комбинированным потоком ионов Al + B. Сформулирована модель процесса поверхностной обработки, учитывающая основные физико-химические явления, приводящие к изменению фазового состава и структуры покрытия. Проведена оценка параметров модели. Показано ее качественное соответствие данным эксперимента.

Исследована структура, твердость и коррозионная стойкость покрытий, полученных методом наплавки в пучке релятивистских электронов, выпущенных в атмосферный воздух. Проведен сравнительный анализ свойств покрытий со свойствами нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Показана возможность создания данным методом на поверхности низкоуглеродистой стали наплавленных слоев с высокой коррозионной стойкостью, дополнительно упрочненных карбидами хрома.

Исследовано влияние тонких слоев из молибдена или тантала, созданных магнетронным напылением на поверхности никелида титана, на его физико-механические свойства, в том числе - сверхэластичность (СЭ), реактивные напряжения, а также микротвердость покрытий и спряженных с ними областей материала подложки.

Исследовано влияние нанокомпозитных покрытий на основе Fe-Cr-Ni-N и Fe-Cr-Ni, нанесенных на образцы из высокопрочной стали 38ХН3МФА с помощью магнетронного напыления с нагревом подложки до температуры 300С, а также в условиях ионной бомбардировки, на нанотвердость и износостойкость металлической компоненты при работе в паре трения с контртелом из полиамида ПА-66. Установлен характер изменения трибомеханических свойств в зависимости от режима и условий осаждения покрытий. На основании анализа фазового состава, параметра решеток, среднего размера зерен и уровня внутренних упругих напряжений II рода, определенных рентгеноструктурным методом, обсуждается взаимосвязь свойств покрытий с их структурно-фазовым состоянием.

Исследовано влияние предварительной механической обработки порошка меди на качество покрытий, полученных плазменным напылением, показано существенное улучшение их внутренней структуры и прочностных свойств. Установлено, что удельный тепловой эффект взаимодействия механически отработанного порошка меди с уксусной кислотой возрастает при механической обработке в течение 15 мин, вероятно, за счет накопления дефектов в объеме металла, после чего происходит их релаксация. Показано, что химическая активность механически активированных порошков металлической меди и порошков меди, полученных методом электрического взрыва проволочек, коррелирует с межплоскостными расстояниями между плоскостями с индексами Миллера.

Изучены химический, фазовый состав и структура слоев, полученных электронно-лучевой наплавкой на воздухе смесей порошков хрома и карбида хрома на низкоуглеродистую сталь. Определена микротвердость слоев по их толщине. Проведены испытания на изгиб, коррозионную стойкость, абразивный износ стали с наплавкой. Рассмотрен предположительный механизм формирования свойства покрытий: твердости, износостойкости, трещиностойкости и прочности на изгиб.

Предложена и исследована двумерная модель синтеза покрытия на подложке в условиях регулируемого нагрева, учитывающая кинетические и тепловые явления. В качестве модельной системы покрытия выбрана смесь порошков Ti и Ni, в качестве подложки - сталь. Система химических реакций записана в соответствии с диаграммой состояния Ti-Ni. В модели учитывается, что химические реакции тормозятся слоем продукта. Задача решена численно. Определены распределения температуры и концентраций элементов и соединений в различные моменты времени для различных условий синтеза. Показано, что при любой организации процесса синтезированный материал оказывается химически неоднородным.

Исследован процесс обработки микродуговым оксидированием (МДО) внутренней поверхности деталей из алюминиевых сплавов. Применение внутреннего электрода в МДО-процессе позволяет интенсифицировать процесс формирования покрытия по всей поверхности детали, а также влияет на морфологию и состав покрытия. Сделано предположение, что внутренний электрод может применяться в МДО как поставщик материала для формирования покрытия заданного состава.

Исследованы микроструктура и фазовый состав катодов, спеченных из прессованных смесей порошков титана и кремния, а также ионно-плазменные покрытия, полученные вакуумно-дуговым распылением спеченных катодов. Обнаружено уменьшение содержания кремния в покрытиях по сравнению с катодами.

Показано, что структура и свойства поверхностных слоев, наплавленных при воздействии пучка релятивистских электронов на смесь порошков тугоплавких соединений, кардинально отличаются от основного металла. Исследована зависимость структуры, фазового состава, твердости и износостойкости наплавленных слоев от типа и состава легирующих смесей на основе хрома, карбида бора, а также от параметров облучения при поступательном перемещении пучка электронов и его поперечном сканировании. Определены оптимальные режимы легирования, обеспечивающие образование в поверхностном слое структуры, аналогичной структуре твердого сплава, и достижение максимальной твердости, износостойкости и противоударной стойкости покрытия.

В работе рассмотрены закономерности деформации и разрушения на мезоуровне материалов с покрытиями при различных схемах нагружения, полученные с применением оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC. Показано, что зарождение в покрытии (поверхностном упрочненном слое) трещин и фрагментированной мезоструктуры в объеме материала подложки происходит около базового концентратора напряжений у головки образца и развивается вдоль образца как нелинейный волновой процесс. Его характер существенно зависит от геометрии границы раздела «покрытие (упрочненный поверхностный слой) – подложка». Сформулирован качественный критерий усталостного предразрушения при знакопеременном циклическом изгибе. Показано, что при циклическом нагружении композиции с более твердым покрытием определяющую роль играют возникновение зон концентрации напряжений и локализация деформации на границе раздела «покрытие – основа». Сформулированы рекомендации по оптимизации режимов формирования покрытий.

Предложена модель изотермического отжига материала с двухслойным покрытием с учетом взаимовлияния процессов диффузии и деформирования. Даны оценки концентрационных напряжений в диффузионной зоне в процессе отжига. Показано, что учет влияния напряжений на массоперенос может иметь принципиальное значение для формирования распределения концентраций.

Приведены данные по структуре, механическим характеристикам и остеогенным свойствам биокомпозиционного материала на основе субмикрокристаллического титана и микродугового кальций-фосфатного покрытия. Модифицированный микродуговой метод позволил сформировать кальций-фосфатные покрытия со слоистой пористой структурой. Биокомпозиционный материал на основе субмикрокристаллического титана с кальций-фосфатным покрытием по уровню механических свойств соответствует требованиям, предъявляемым к биоимплантатам. Титановые имплантаты с кальций-фосфатными покрытиями с высокой вероятностью способствуют формированию костной ткани в тесте эктопического костеобразования.

При деформации растяжением сталей с покрытиями обнаружен волновой характер процесса множественного растрескивания покрытия. В зависимости от отношения толщин и микротвердости основы и покрытия проявляются такие нелинейные волновые процессы, как волны переключения и заселения. С помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса показано, что инициированные развивающимися трещинами зоны локализованной деформации определяют неоднородный характер деформации и разрушение исследованных композиций типа «сталь – покрытие».

Исследовано влияние нанокомпозитных покрытий на основе Fe–Cr–Ni–N, нанесенных на образцы из высокопрочной стали 38ХН3МФА с помощью магнетронного напыления при разном парциальном давлении азота в условиях ионной бомбардировки и нагрева подложки на износостойкость и нанотвердость металлического компонента при работе в паре трения «сталь 38ХН3МФА –полиамид ПА-66». На основании анализа фазового состава, параметра решеток, среднего размера зерен, определенных рентгеноструктурным методом, обсуждается взаимосвязь свойств покрытий с их структурно-фазовым состоянием.

С использованием энергии релятивистских электронов на поверхности низкоуглеродистой стали сформированы слои наплавки, высоколегированные хромом, бором и углеродом. Исследована зависимость структуры, фазового состава, твердости и износостойкости от состава легирующей смеси. Установлено существование режимов легирования, приводящих к образованию в поверхностном слое структур, аналогичных структуре твердого сплава и обеспечивающих достижение максимальных уровней твердости, износостойкости и противоударной стойкости.

Отработаны технологические режимы вибропомола стружковых отходов быстрорежущей стали Р6М5, обеспечивающие наибольший выход фракции, пригодной для электронно-лучевой наплавки покрытий. Исследована микроструктура, фазовый состав и твердость электронно-лучевых покрытий, наплавленных порошком из стружки и промышленным распыленным порошком. Обсуждены причины различия твердости и фазового состава покрытий, наплавленных распыленным и молотым порошком.

Показана возможность моделирования синтеза нанообъектов на основе метода молекулярной динамики. Для описания межатомного взаимодействия использован метод погруженного атома. Исходным материалом для получения наноструктур являлась бислойная наноразмерная кристаллическая пленка, один слой которой был составлен из атомов меди, а другой из атомов алюминия. Исследован процесс синтеза нанотрубок в зависимости от толщины слоев и длины пленки. Изучены механическая устойчивость нанотрубок, их отклик на ударные воздействия, а также поведение полученных нанообъектов при повышении температуры вплоть до плавления. Предложена принципиальная схема конструирования и использования полученных нанообъектов в качестве компонентов интеллектуальных наноустройств, преобразующих тепловую энергию в механическую.??.

Представлены результаты исследований структуры и свойств металлокерамических покрытий в системах Al2O3-CrxNy, Al2O3-Mo2, полученных методом плазменного напыления на медные подложки. Показано, что в процессе напыления формируются градиентные структуры покрытий. Определены оптимальные составы покрытий, которым соответствуют максимальные значения микротвердости и износостойкости. Установлено, что наименьшим коэффициентом трения при износе в паре трения с контртелом из ШХ15 обладает покрытие Al2O3 - 30 вес. % Cr2N.

В работе приводятся конструкция и исследования двухпучкового газового ионного источника серии «Планар», предназначенного для использования в вакуумно-плазменных напылительных системах. В основе конструкции ионного источника положен принцип работы ускорителя с замкнутым дрейфом электронов и узкой зоной ускорения (УЗДУ). Эмиссионная поверхность источника представляет собой узкую непрерывную щель, вытянутую в длину, образуя два протяженных пучка ионов. Длина пучков варьируется от 100 до 2300 мм в зависимости от применения источника. Источник обеспечивает энергию ионов до 8 кэВ и плотность тока до 1 мA/см2. Приводятся параметры источника.

Рассмотрены методы оценки адгезионной прочности, изучена морфология поверхности, проведен послойный элементный анализ в приповерхностном объеме никелида титана с покрытиями из Мо и Та различной толщины. Показано, что механическая и адгезионная прочность покрытий зависит от химического состава пленки и подложки, а также толщины покрытия.

Методом рентгеноструктурного анализа исследовано влияние электронно-пучковых воздействий на структурно-фазовые состояния в поверхностных слоях образцов никелида титана с покрытиями и молибдена. Показано, что электронно-лучевая обработка (потоки электронов низких энергий) образцов никелида титана с покрытиями из молибдена в случае высоких плотностей энергии в электронном пучке (Е=30Дж/см2) приводит к формированию на их поверхности слоя, легированного молибденом, с увеличенным параметром элементарной ячейки В2-фазы TiNi, в то время как внутренние объемы не претерпевают существенных изменений. В случае малых плотностей энергии (Е=15Дж/см2) покрытие только частично растворяется в подложке, параметры элементарных ячеек В2-фазы TiNi и ОЦК-Мо покрытия уменьшается относительно исходных значений. Выявлено, что размеры D областей когерентного рассеяния в фазе В2 подложки и ОЦК-Мо-покрытий образцов после электронно-лучевых обработок ни изменились относительно значений в исходных образцах.

Методом магнетронного распыления в режиме постоянного тока и импульсном режиме получены покрытия на основе Zr-Y-O с различной концентрацией Y. Методами рентгеноструктурного анализа и масс- спектрометрии вторичных ионов исследован химический и фазовый состав покрытий. Выявлено влияние режимов осаждения покрытий на их термоциклическую стойкость.

Методом электронно-лучевой наплавки на ускорителе электронов карбидов вольфрама и хрома и последующей импульсной обработки низкоэнергетическими электронами сформирована нано- и ультрадисперсная зеренная структура, пронизанная системой наноразмерных пор. Показано, что в зоне вторичного импульсного воздействия нанотвердость и модуль упругости достигают аномально высоких значений. Модифицированный приповерхностный слой с наноструктурой и хаотическим распределением нанопор может служить барьером для развития хрупкого разрушения.

Методами склерометрии и атомно-силовой микроскопии исследованы механизмы износа гальванических покрытий AuNi и AuCo. Показано, что царапание при малых нагрузках может использоваться для сравнительного анализа износостойкости при абразивном износе металлических покрытий. Установлено, что развитый рельеф поверхности, обусловленный формированием агломератов зерен, обеспечивает более высокую износостойкость покрытий AuCo по сравнению в гладкой поверхностью покрытий AuNi за счет диссипации упругой энергии контактного взаимодействия индентора с поверхностью образца.

Предложена методика оценки прочностных свойств пористого керамического покрытия. Подход основан на анализе результатов предварительных тестов по индентированию покрытия с дефектами различного размера и глубины залегания. Исследования проведены с помощью компьютерного моделирования в рамках совмещения методов дискретного подхода (метод подвижных клеточных автоматов) и континуального описания (метод конечных разностей). Найдены соотношения, связывающие такие параметры поры, как длина и глубина ее залегания в покрытии, с критическими напряжениями, соответствующими разрушению покрытия. Предложенный подход может быть использован для исследования прочностных свойств поверхностных слоев материалов и прогнозирования критических напряжений в области контакта.

Рассмотрены условия формирования на титане биоактивных кальцийфосфатных поверхностных слоев, содержащих гидроксиапатит, методом плазменного электролитического оксидирования (ПЭО) в электролитах различного химического состава. Изучены их состав, морфология, антикоррозионные и механические характеристики. по результатам исследования предложены оптимальные режимы получения. Поверхностные слои, формируемые на титановых имплантатах, были изучены в условиях in vitro и in vivo. Показано, что биологическая активность покрытий определяется суперпозицией специфических параметров: химическим составом, в частности, значениями концентрации кальция и фосфора, их отношением и морфологией (шероховатостью) поверхности.

Приведены результаты исследований структуры, прочностных свойств и сопротивления изнашиванию боридных покрытий на конструкционныех сталях 15Н3МА и 14ХН3МА. Установлена взаимосвязь между структурой, фазовым составом и характером разрушения боридных слоев при нагружении.

Приведены результаты комплексных экспериментальных исследований и численного моделирования процессов пластической деформации материалов с покрытиями или поверхностным упрочнением на мезо- и макромасштабном уровнях. Показано влияние процессов, развивающихся на границе раздела покрытие - подложка, на развитие пластической деформации всей композиции. На основании полученных данных даются рекомендации по созданию поверхностно-упрочненных материалов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами.

Исследовано влияние импульсного воздействия низкоэнергетического сильноточного электронного пучка на поверхностные слои никелида титана с многослойным покрытием из Ti и Zr. Методами РС и ОЭС показано, что после однократного воздействия происходит оплавление покрытия и формирование композиционного поверхностного слоя, содержащего фазы на основе элементов покрытия. После пятикратного воздействия образуется тонкий субмикрокристаллический слой, под которым располагается слой, состоящий из легированной цирконием трехкомпонентной фазы со структурой В2 на основе TiNi и мартенситной фазы со структурой В19. Проанализировано распределение микродеформации решетки фазы В2 по глубине.

С помощью метода подвижных клеточных автоматов была развита многоуровневая модель структурно-неоднородных покрытий. Она основана на последовательном выполнении следующих этапов: моделирование однородных образцов со свойствами составляющих компонентов покрытия; определение представительного объема неоднородного покрытия с явным заданием его структуры; неявный учет свойств неоднородностей малого масштаба в полномасштабной модели. развитая модель была применена для изучения разрушения структурированных покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой на стальной подложке, при различных видах механического нагружения.

Предложена новая концепция конструирования (создания) нанокомпозитных покрытий - самоорганизация микроструктуры на стадии формирования покрытия - одновременное зарождение островков различных взаимно нерастворимых или малорастворимых фаз. разработаны физические принципы выбора составов таких покрытий. в качестве экспериментального подтверждения предложенных принципов предлагается использование многоэлементных композиций нанокомпозитных покрытий. С использованием плазменного магнетронно-дугового комплекса "Спрут" получены многоэлементные нанокомпозитные сверхтвердые покрытия системы Ti-Al-Si-Cr-Ni-Cu-O-C-N. Методами просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, измерения микротвердости, стретч-тестирования исследованы особенности структурно-фазового и упругонапряженного состояния многоэлементных покрытий в исходном состоянии и после отжигов до 1000 гр.С. Обнаружен широкий спектр значений кривизны-кручения кристаллической решетки наноразмерных (менее 30 нм) областей когерентного рассеяния двухуровневой структуры покрытий и индивидуальных (до 15 нм) нанокристаллов TiN. В результате отжига покрытий двухуровневая зеренная структура релаксирует с формированием нанокристаллов на основе TiN размером менее 30-40 нм со снижением кривизны-кручения решетки. Сравнительный анализ акустической эмиссии и треков многокомпонентных и TiN покрытий при стретч-тестировании свидетельствует о повышении вязкости разрушения многоэлементных покрытий.

Изучено влияние тепловой обработки при газотермическом оплавлении покрытий из Ni-Cr-D-Si-сплавов на их структуру, фазовый состав твердость. Показано формирование покрытий со структурой никелевой матрицы, представленной иерархией трех размерных уровней, и упрочняющими карбидными и боридными фазами различной дисперсности. Изучено распределение микротвердости по сечению покрытий и в зонах выделений трех фаз. Установлено, что при ультразвуковой обработке оплавленных покрытий на основе никеля, подавляется образование дендритов, вырастают размеры колоний боридной эвтетики.

На основе молекулярно-динамического моделирования предложен новый подход к послойному нанесению покрытий. В основе подхода лежит взаимодействие нелинейного импульса со свободной поверхностью материала. Показано, что при достаточно большой амплитуде импульса происходит отрыв атомной плоскости со свободной поверхности, которая при налете на мишень образует многослойное покрытие. Комбинируя материалы "источника", можно создавать многослойные покрытия со сложным составом и структурой.

Сформулированы принципы формирования наноструктурированных многослойных покрытий для работы в условиях высокоэнергетических воздействий. На этой основе разработаны теплозащитные и износостойкие покрытия системы Si-Al-N/Zr-Y-O.