zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2025-91-6-38-44zldm-2520Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. PHYSICAL METHODS OF TESTING AND QUALITY CONTROLИсследование свойств покрытий, формируемых из наноструктурированных композиционных порошков системы Ti/TiO2 микроплазменным напылениемStudy of the properties of coatings formed from nanostructured composite powders of the Ti/TiO2 system by microplasma sprayingГошкодеряМ. Е.GoshkoderyaM. E.

Михаил Евгеньевич Гошкодеря

Mikhail E. Goshkoderya

БобковаТ. И.BobkovaT. I.

Татьяна Игоревна Бобкова

Tatyana I. Bobkova

bobkova_ti@crism.ruСердюкН. А.SerdyukN. A.

Никита Александрович Сердюк

Nikita A. Serdyuk

СтарицынМ. В.StaritsynM. V.

Михаил Владимирович Старицын

Mikhail V. Staritsyn 

ХроменковМ. В.KhromenkovM. V.

Михаил Валерьевич Хроменков

Mikhail V. Khromenkov 

КаширинаА. А.KashirinaA. A.

Анастасия Анверовна Каширина

Anastasiia A. Kashirina

Центральный НИИ конструкционных материалов «Прометей» имени И. В. Горынина НИЦ «Курчатовский институт» (НИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей»), Россия, 191015, г. Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, д. 49РоссияCentral Research Institute Of Structural Materials «Prometey» named after I. V. Gorynin of the National Research Centre «Kurchatov Institute» (NRC «Kurchatov Institute» — CRISM «Prometey»), 49, ul. Shpalernaya, St. Petersburg, 191015, RussiaRussian Federation2025290620259163844Copyright © Гошкодеря М.Е., Бобкова Т.И., Сердюк Н.А., Старицын М.В., Хроменков М.В., Каширина А.А., 20252025Гошкодеря М.Е., Бобкова Т.И., Сердюк Н.А., Старицын М.В., Хроменков М.В., Каширина А.А.Goshkoderya M.E., Bobkova T.I., Serdyuk N.A., Staritsyn M.V., Khromenkov 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://www.zldm.ru/jour/article/view/2520

С ростом скоростей работы и контактных нагрузок конструкционных элементов необходимо увеличение эксплуатационного ресурса узлов трения, которое можно обеспечить улучшением физико-механических свойств контактных поверхностей. В работе представлены результаты исследований свойств покрытий, формируемых из наноструктурированных композиционных порошков системы Ti/TiO2 микроплазменным напылением. Приведены экспериментальные данные по синтезу наноструктурированных порошков на основе титановой матрицы, армированных нанопорошками диоксида титана. В качестве исходных материалов использовали порошок титана марки ПТОМ-1 фракцией менее 90 мкм и наноразмерный порошок диоксида титана фракцией 80 – 200 нм. Смеси исходных материалов c вариативным содержанием TiO2 подвергали предварительной гомогенизации и последующему механосинтезу. При исследовании морфологии синтезированных порошков выявлено, что форма частиц наследуется от матричного порошка, а с повышением содержания армирующего компонента поверхность композиционного порошка более плотно армируется частицами нанопорошка TiO2. Определение фракционного состава показало, что максимальная объемная доля частиц (62,5 % масс.) соответствует размеру 10 – 40 мкм. С помощью растровой электронной микроскопии поперечных микрошлифов установлено, что сквозные поры отсутствуют во всех покрытиях. При увеличении содержания диоксида титана до 24 % существенно возрастает пористость, а также присутствует отслоение материала покрытия от подложки. Исследование микротвердости напыленных покрытий показало, что наиболее твердое покрытие (в среднем 985 HV) было получено при напылении синтезированного порошка с содержанием диоксида титана 16 % масс. Полученные результаты могут быть использованы для продления ресурса, например, шаровых кранов из титановых сплавов, используемых в автоклавах для горнодобывающей промышленности.

With increasing operating speeds and contact loads of structural elements, it is necessary to increase the operational life of friction units, which can be ensured by improving the physical and mechanical properties of the contact surfaces. The paper presents the results of investigations of the properties of coatings formed from nanostructured composite powders of the Ti/TiO2 system by microplasma spraying. Experimental data on the synthesis of nanostructured powders based on a titanium matrix reinforced with titanium dioxide nanopowders are presented. PTOM-1 titanium powder with a fraction of less than 90 μm and nanoscale titanium dioxide powder with a fraction of 80 – 200 nm were used as starting materials. Mixtures of starting materials with variable TiO2 content were subjected to preliminary homogenization and subsequent mechanosynthesis. When studying the morphology of the synthesized powders, it was revealed that the shape of the particles is inherited from the matrix powder, and with an increase in the content of the reinforcing component, the surface of the composite powder is more densely reinforced with particles of TiO2 nanopowder. The determination of the fractional composition showed that the maximum volume fraction of particles (62. 5 % wt.) it corresponds to a size of 10 – 40 μm. Scanning electron microscopy of transverse microspheres revealed that there are no through pores in all coatings. With an increase in the titanium dioxide content to 24 %, porosity increases significantly, and there is also a detachment of the coating material from the substrate. A study of the microhardness of the sprayed coatings showed that the hardest coating (on average 985 HV) was obtained by spraying a synthesized powder with a titanium dioxide content of 16 % by weight. The results obtained can be used to extend the life of, for example, titanium alloy ball valves used in autoclaves for the mining industry.

механосинтезсистема Ti/TiO2наноразмерный порошок диоксида титанакомпозиционные порошкимикроплазменное напылениефункциональные покрытияmechanosynthesisTi/TiO2 systemnano-sized titanium dioxide powdercomposite powdersmicroplasma sprayingfunctional coatingsReferencesИлларионов А. Г., Попов А. А. Технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов: учебное пособие. — Екатеринбург: Уральский университет, 2014. — 137 с.Illarionov A. G., Popov A. A. Technological and operational properties of titanium alloys: a textbook. — Yekaterinburg: Uralskiy universitet, 2014. — 137 p. [in Russian].Шнеерсон Я. М., Лапин А. Ю., Болобов В. И. Щелевая коррозия титана в продуктах высокотемпературного выщелачивания золотосодержащего сульфидного сырья / Цветные металлы. 2017. № 2. С. 81 – 85.Shneerson Ya. M., Lapin A. Yu., Bolobov V. I. Crevice corrosion of titanium in products of high-temperature leaching of gold-bearing sulfide raw materials / Non-Ferrous Metals. 2017. No. 2. P. 81 – 85 [in Russian].Савенок О. В., Горпинченко А. Н. Особенности эксплуатации нефтяных и газовых скважин в условиях высокой коррозионной агрессии / Наука. Техника. Технологии. 2022. № 2. С. 155 – 170.Savenok O. V., Gorpinchenko A. N. Features of operation of oil and gas wells under high corrosion aggression / Science. Engineering. Technology. 2022. No. 2. P. 155 – 170 [in Russian].Францкевич В. С., Поспелов А. В., Романовский В. И. и др. Исследование коррозии трубок теплообменного аппарата / Горная механика и машиностроение. 2022. № 3. С. 102 – 109.Frantskevich V. S., Paspelau A. V., Romanovsky V. I., et al. The research of the heat exchanger pipes corrosion / Mining Mechanical Engineering and Machine-Building. 2022. No. 3. P. 102 – 109 [in Russian].Лукина Е. А. Коллеров М. Ю., Гусев Д. Е. Исследование влияния структуры сплавов на основе никелида титана на коррозионную стойкость в биологической среде / Металлург. 2023. № 11. С. 54 – 65. DOI: 10.52351/00260827_2023_11_54Lukina E. A., Kollerov M. Yu., Gusev D. E. Study of titanium nickelide based alloys structure influence on corrosion resistance in biological environment / Metallurgist. 2023. No. 11. P. 54 – 65 [in Russian]. DOI: 10.52351/00260827_2023_11_54Гусев Б. А., Ефимов А. А., Мартынов В. В. и др. Ускоренные коррозионные испытания контактирующей пары аустенитная нержавеющая сталь — титановый сплав / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024. Т. 90. № 5. С. 40 – 45. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-5-40-45Gusev B. A., Efimov A. A., Martynov V. V., et al. Accelerated corrosion tests of a contact pair austenitic stainless steel – titanium alloy / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2024. Vol. 90. No. 5. P. 40 – 45 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-5-40-45Кашапов О. С., Решетило Л. П., Наприенко С. А. и др. Влияние окисления на механические свойства и состояние поверхности жаропрочного титанового сплава ВТ41 / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 2(I). С. 63 – 75. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-2-I-63-75Kashapov O. S., Reshetilo L. P., Naprienko S. A., et al. Effect of oxidation on mechanical properties and surface condition of heat-resistance titanium alloy VT41 / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. No. 2(I). P. 63 – 75 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-2-I-63-75Бобкова Т. И., Сердюк Н. А., Гошкодеря М. Е., Мухаметдзянова Л. В. Исследование процессов синтеза и режимов микроплазменного напыления металлокерамического композиционного порошка системы Ti – TiO2 – TiH2 для функциональных покрытий / Успехи в химии и химической технологии. — М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2024. — 133 с.Bobkova T. I., Serdyuk N. A., Goshkoderya M. E., Mukhametzyanova L. V. Study of synthesis processes and modes of microplasma spraying of metal-ceramic composite powder of the Ti – TiO2 – TiH2 system for functional coatings / Advances in Chemistry and Chemical Technology. — Moscow: Mendeleyev University of Chemical Technology, 2024. — 133 p. [in Russian].Лукутцова Н. П., Постникова О. А., Пыкин А. А. и др. Эффективность применения нанодисперсного диоксида титана в фотокатализе / Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2015. № 3. С. 54 – 57.Lukuttsova N. P., Postnikova O. A., Pykin A. A., et al. The effectiveness of the use of nanodispersed titanium dioxide in photocatalysis / Vestnik BGTU im. V. G. Shukhova. 2015. No. 3. P. 54 – 57 [in Russian].Ильина Т. Ю. Возможности применения диоксида титана в очистке окружающей среды. — Кемерово: КГТУ им. Т. Ф. Горбачева, 2015. — 290 с.Ilina T. Yu. The possibilities of using titanium dioxide in environmental purification. — Kemerovo: KGTU im. T. F. Gorbacheva, 2015. — 290 p. [in Russian].Сыпченко В. С., Никитенков Н. Н., Поздеева Э. В. и др. Исследование состава и структуры покрытий на основе диоксида титана, осажденных методом реактивного магнетронного распыления / Письма о материалах. 2017. № 7(2). С. 117 – 119. DOI: 10.22226/2410-3535-2017-2-117-119Sypchenko V. S., Nikitenkov N. N., Pozdeeva E. V., et al. Study of the composition and structure of coatings based on titanium dioxide deposited by reactive magnetron sputtering / Letters on Materials. 2017. No. 7(2). P. 117 – 119 [in Russian]. DOI: 10.22226/2410-3535-2017-2-117-119Li Y., Woo Y., Sekar M., et al. Effect of Nano-Titanium Dioxide Contained in Titania-Polyurea Coating on Marina Biofouling and Drag Reduction / Journal of Biomedical Nanotechnology. 2020. Vol. 16. P. 1530 – 1541. DOI: 10.1166/jbn.2020.2980Li Y., Woo Y., Sekar M., et al. Effect of Nano-Titanium Dioxide Contained in Titania-Polyurea Coating on Marina Biofouling and Drag Reduction / Journal of Biomedical Nanotechnology. 2020. Vol. 16. P. 1530 – 1541. DOI: 10.1166/jbn.2020.2980Исагулов А. З., Квон С. С., Куликов В. Ю. Повышение износостойкости элементов горно-обогатительного оборудования / Черная металлургия. 2020. № 6. С. 609 – 613. DOI: 10.32339/0135-5910-2020-6-609-613Isagulov A. Z., Kwon S. S., Kulikov V. Yu. Increasing the wear resistance of elements of mining and processing equipment / Ferrous Metallurgy. 2020. No. 6. P. 609 – 613 [in Russian]. DOI: 10.32339/0135-5910-2020-6-609-613Ковалёк Н. С. Повышение износостойкости защитных покрытий запорной арматуры для АЭС и магистрального трубопроводного транспорта / VII междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные направления научных исследований: от теории к практике»: сб. мат. — Чебоксары: Интерактив плюс, 2016. С. 197 – 198.Kovalek N. S. Increasing the wear resistance of protective coatings of shut-off valves for nuclear power plants and main pipeline transport / VII International scientific-pract. conf. «Current directions of scientific research: from theory to practice»: Coll. of works. — Cheboksary: Interactive Plus, 2016. P. 197 – 198 [in Russian].Лысенко В. И. Керамика из нанопорошка диоксида титана: создание методом SPS и свойства / Наноиндустрия. 2019. Т. 12. № 5(91). С. 246 – 249. DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.5.246.249Lysenko V. I. Ceramics from titanium dioxide nanopowder: Creation by the SPS method and properties / Nanoindustriya. 2019. Vol. 12. No. 5(91). P. 246 – 249 [in Russian]. DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.5.246.249Gevorkyan E., Rucki M., Kagramanyan A., et al. Composite material for instrumental applications based on micro powder Al2O3 with additives nano-powder SiC / International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2019. No. 82. P. 336 – 339. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2019.05.010Gevorkyan E., Rucki M., Kagramanyan A., et al. Composite material for instrumental applications based on micro powder Al2O3 with additives nano-powder SiC / International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2019. No. 82. P. 336 – 339. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2019.05.010Ковалев А. А., Краско А. С. Влияние параметров газотермического напыления на прочность сцепления функциональных стойких покрытий / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2021. № 3. С. 31 – 39. DOI: 10.31857/S0235711921030081Kovalev A. A., Krasko A. S. Effect of the thermal sputtering parameters on the cohesive strength of functional resistant coatings / Problems of mechanical engineering and machine reliability. 2021. No. 3. P. 31 – 39 [in Russian]. DOI: 10.31857/S0235711921030081Кравченко И. Н., Карелина М. Ю., Зубрилина Е. М. и др. Ресурсосберегающие технологии получения функциональных наноструктурированных покрытий высокоскоростными методами нанесения / Вестник ДГТУ. 2015. № 3(82). С. 19 – 27.Kravchenko I. N., Karelina M. Yu., Zubrilina E. M., et al. Resource-saving technologies for producing functional nanostructured coatings by high-speed application methods / Advanced Engineering Research. 2015. No. 3(82). P. 19 – 27 [in Russian].Borisov Yu., Kislitsa A., Voynarovich S. Microplasma wire spraying / Proc. of the Intern. thermal spray conf. and exposition ITSC 2004 «Thermal Spray Solutions Advances in Technology and Application». — Osaka, 2004. P. 657 – 662.Borisov Yu., Kislitsa A., Voynarovich S. Microplasma wire spraying / Proc. of the Intern. thermal spray conf. and exposition ITSC 2004 «Thermal Spray Solutions Advances in Technology and Application». — Osaka, 2004. P. 657 – 662.Бобкова Т. И., Гошкодеря М. Е., Сердюк Н. А. и др. Исследование зависимости свойств титановых покрытий от технологических режимов напыления на микроплазменной установке УГНП-7/225054 / Вопросы материаловедения. 2023. № 2(114). С. 80 – 86. DOI: 10.22349/1994-6716-2023-114-2-80-86Bobkova T. I., Goshkoderya M. E., Serdyuk N. A., et al. Study of the dependence of the properties of titanium coatings on the technological modes of sputtering on a microplasma installation UGNP-7/225054 / Voprosy Materialovedeniya. 2023. No. 2(114). P. 80 – 86 [in Russian]. DOI: 10.22349/1994-6716-2023-114-2-80-86Bobkova T. I., Goshkoderya V. E., Savich V. V. Features of Creating Functional and Functionally Gradient Coatings with a Unique Set of Properties from Composite Powders with Titanium Matrix / Mettallurgist. 2023. No. 66(11 – 12). P. 1430 – 1435. DOI: 10.1007/s11015-023-01457-9Bobkova T. I., Goshkoderya V. E., Savich V. V. Features of Creating Functional and Functionally Gradient Coatings with a Unique Set of Properties from Composite Powders with Titanium Matrix / Mettallurgist. 2023. No. 66(11 – 12). P. 1430 – 1435. DOI: 10.1007/s11015-023-01457-9

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