Формирование износостойких композитных покрытий на титановых сплавах при электродуговой обработке в водных электролитах

ФОРМИРОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ 
ФОРМИРОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ 

КОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ 
КОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ 

НА ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ 
НА ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ 

ПРИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ОБРАБОТКЕ 
ПРИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ОБРАБОТКЕ 

В ВОДНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТАХ
В ВОДНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТАХ

Монография
Монография

Москва
РИОР
ИНФРА-М

Министерство образования и науки Российской Федерации
Владивостокский государственный университет экономики и сервиса
Институт химии ДВО РАН

И.Г. ЖЕВТУН
П.С. ГОРДИЕНКО
С.Б. ЯРУСОВА

УДК 669.225;66.088 
ББК 34.5
         Ж45

УДК 669.225;66.088
ББК 34.5

Жевтун И.Г., Гордиенко П.С., Ярусова С.Б.
Формирование износостойких композитных покрытий на титановых 
сплавах при электродуговой обработке в водных электролитах : монография / И.Г. Жевтун, П.С. Гордиенко, С.Б. Ярусова. — М. : РИОР : ИНФРА-М, 
2018. — 155 с. — (Научная мысль). — DOI: https://doi.org/10.12737/1715-9

ISBN 978-5-369-01715-9 (РИОР)
ISBN 978-5-9736-0445-5 (ВГУЭС)
ISBN 978-5-16-013216-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102590-1 (ИНФРА-М, online)

В монографии представлены результаты исследования процесса формирования на титановых сплавах износостойких композитных покрытий на 
основе карбида титана при электродуговой обработке в водных электролитах. 
Показаны закономерности изменения состава, структуры и функциональных 
свойств поверхности в процессе обработки, а также при легировании двухкомпонентной системы Ti-TiC переходными и вентильными металлами. 
Приведены теоретические представления процесса плазменной обработки 
металлической поверхности, включающие рассмотрение физико-химического механизма и термодинамический анализ формирования фазы карбида титана в объеме титанового сплава. Показаны некоторые перспективы 
практического применения электродуговых композитных Ti-TiC-покрытий.
Работа может представлять интерес для инженеров, аспирантов и научных сотрудников, занимающихся вопросами плазменной обработки металлов и получения покрытий, а также специалистов-материаловедов, работающих в области создания и обработки новых материалов.

ISBN 978-5-369-01715-9 (РИОР)
ISBN 978-5-9736-0445-5 (ВГУЭС)
ISBN 978-5-16-013216-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102590-1 (ИНФРА-М, online)

© Жевтун И.Г.,
Гордиенко П.С.,
Ярусова С.Б.

Ж45

Р е ц е н з е н т ы :
Кульчин Ю.Н. — академик РАН, директор Института автоматики и процессов 
управления ДВО РАН (г. Владивосток); 
Верхотуров А.Д. — д-р техн. наук, главный научный сотрудник Института 
водных и экологических проблем ДВО РАН (г. Хабаровск)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

А в т о р ы :
Жевтун И.Г. — канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник Межведомственного 
научно-образовательного центра «Перспективные технологии и материалы» 
ВГУЭС, науч. сотрудник лаборатории защитных покрытий и морской 
коррозии Института химии ДВО РАН (г. Владивосток);
Гордиенко П.С. — д-р техн. наук, профессор, ведущий науч. сотрудник 
Межведомственного научно-образовательного центра «Перспективные 
технологии и материалы» ВГУЭС, заведующий лабораторией защитных 
покрытий и морской коррозии Института химии ДВО РАН (г. Владивосток);
Ярусова С.Б. — канд. хим. наук, зав. базовой кафедрой экологии и 
экологических проблем химической технологии ВГУЭС, ст. науч. сотрудник 
лаборатории защитных покрытий и морской коррозии Института химии 
ДВО РАН (г. Владивосток)

 

 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 

В настоящее время титановые сплавы являются незаменимыми 
материалами 
в 
авиационном, 
судостроительном, 
ракетнокосмическом машиностроении и во многих других отраслях благодаря важным эксплуатационным характеристикам, таким как высокая удельная прочность при комнатной и повышенной температурах, стойкость к агрессивным средам, немагнитность в сочетании с 
низкой плотностью. 
Существенным недостатком титановых сплавов является высокая склонность к схватыванию при трении и, как следствие, исключительно низкие антифрикционные свойства. Это обстоятельство 
обусловливает высокий износ изделий из титана и резко ограничивает применение титановых сплавов в узлах трения машиностроительных конструкций. Поэтому проблема создания титанового 
сплава с высокой износостойкостью и сохранением уникальных 
природных свойств титана является актуальной задачей материаловедения.  
На сегодняшний день существуют различные способы поверхностной обработки титановых сплавов, направленные на повышение их антифрикционных свойств. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, однако, по разным причинам они широко 
не применяются для надежной защиты титановых сплавов от фрикционных или других механических воздействий в агрессивных средах или при повышенных температурах.  
В данной работе рассмотрен один из простых и эффективных 
методов повышения антифрикционных свойств титановых сплавов 
путем плазменной обработки поверхности в контролируемых по 
составу средах – водных электролитах – с использованием углеродсодержащих электродов. 

Глава 1. ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ.  
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ АНТИФРИКЦИОННЫХ 
СВОЙСТВ 
 
 

1.1. Области применения титана и его сплавов 

Авиастроение. Титановые сплавы как конструкционный материал впервые начали использовать в авиационном двигателестроении [1, 2]. Основные качества титановых сплавов, обусловившие их 
широкое использование, – высокие показатели прочности и жаропрочности, малый удельный вес.  
Замена стальных деталей компрессора деталями из титановых 
сплавов обеспечивает снижение в них напряжения от центробежных сил, увеличивая таким образом надежность работы двигателя. 
Применение титановых сплавов вместо стали уменьшает массу двигателей на 35–40%. Из титана и его сплавов, преимущественно жаропрочных, изготавливают широкую номенклатуру деталей – диски, лопатки турбин, направляющие аппараты, обтекатели, трубопроводы, крепеж и т.д. [3].  
Некоторые области применения требуют наличия таких 
свойств, которыми обладает только чистый титан. Так, например, 
титан применяется с целью предотвращения растрескивания деталей в некоторых типах самолетов. Растрескивание в титане происходит с гораздо меньшей скоростью, нежели в других металлах, поэтому он, как более надежный, применяется в местах, особо подверженных трещинообразованию [4].  
Судостроение. В начале 1960-х гг. была построена первая 
цельнотитановая подводная лодка, что положило начало широкому 
применению этого металла в судостроении [1].  
На сегодняшний день производство буквально всех важнейших 
элементов как гражданских, так и военных судов немыслимо без 
титановых сплавов. Из них изготавливают различные виды палубной арматуры, трубопроводы, приборы, антенны и другие детали, 
постоянно погруженные в морскую воду. Кроме того, благодаря 
парамагнитным свойствам титана и его сплавов их использование 
для создания разнообразных навигационных приборов позволяет 

устранять девиацию (влияние металлических частей корабля на навигационные приборы) [5]. 
В судостроении целесообразность применения титана и его 
сплавов основывается на высокой коррозионной стойкости и коррозионно-механической прочности. Эти и другие ценные характеристики (хладностойкость, динамическая прочность, стойкость к кавитации) в совокупности обусловили исключительную надежность 
титановых сплавов в элементах конструкций морских судов и, как 
следствие, широкое использование титана в этой области [1, 4]. 
Ракетно-космическая отрасль. Высокая коррозионная стойкость, легкость и жаропрочность титановых сплавов позволяют изготовлять из них многие детали для космических кораблей и аппаратов. В частности, титановый сплав был успешно применен для 
изготовления передней части корпуса ракеты «Авангард», температура которой в результате трения о воздух превышает 800 оС. 
О незаменимости титана в космосе говорит и тот факт, что в 
глубоком вакууме даже при обычных температурах применение 
многих металлов и сплавов невозможно из-за их неустойчивости. 
Как известно, широко применяемые в авиации магниевые сплавы в 
вакууме начинают кипеть и испаряться, многие другие металлы испаряются в меньшей степени. Самыми устойчивыми материалами в 
условиях вакуума оказались сталь, вольфрам, платина и титан [5]. 
По понятным причинам выбор пал на титан. 
Титан используют для изготовления баллонов, в которых длительное время под давлением могут находиться различные газы. 
Например, в американских ракетах типа «Атлас» сферические резервуары для хранения сжатых газов сделаны из титана. Из титановых сплавов изготавливают и баки для окислителя ракетного топлива – жидкого кислорода. 
Космические корабли «Аполлон» содержали более 60 тонн деталей и агрегатов из титановых сплавов. Титановые сплавы были 
успешно использованы как конструкционный материал для корпусов двигателей многих космических кораблей [6]. 
Другие отрасли. На основе опыта, накопленного в вышеперечисленных отраслях, стало возможным обоснованное применение 
титана во многих других отраслях промышленности. Крупнейшими 
потребителями титана в гражданских отраслях являются химическая, атомная, нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая промышленности [1].  

Биологическая безвредность титана делает его превосходным 
материалом для изготовления оборудования пищевой промышленности и для протезирования в медицине. Последние годы неуклонно растет его использование в строительстве, а также для спортивного и бытового инвентаря [4, 7]. 
Все это говорит о несомненной перспективности применения 
титановых сплавов и в ряде случаев необходимости замены стальных и чугунных изделий сплавами на основе титана.  
Основные недостатки титановых сплавов так или иначе связаны 
с высокой активностью титана. Так, значительно более высокая 
стоимость титановых сплавов по сравнению со сплавами на основе 
железа обусловлена трудностью получения чистого металла, для 
чего необходимо использовать многоступенчатые энергоемкие операции с использованием высоких температур и глубокого вакуума 
[4, 7, 8].  
По причине высокого сродства титана к кислороду и азоту 
сварку титановых сплавов необходимо проводить с использованием 
инертных газов, что также влияет на стоимость производства деталей из титана. 
Еще одним существенным недостатком титановых сплавов, 
связанным с его высокой активностью, является его склонность к 
изнашиванию при фрикционных нагрузках. 

1.2. Антифрикционные свойства титана  
и его сплавов 

Одной из особенностей поверхностных свойств титановых 
сплавов, заметно отличающей их от сплавов на основе многих металлов, является высокая реакционная способность поверхности, 
обусловливающая, с одной стороны, низкую нагрузку контактного 
схватывания при трении, высокие значения коэффициента трения и 
скорости износа [9–14], с другой – высокое сродство к кислороду и, 
как следствие, наличие тонкой оксидной пленки, которая препятствует адгезии поверхностью обычных смазочных материалов [14–
16]. Эти природные особенности титана приводят к исключительно 
низким антифрикционным свойствам сплавов на его основе и делают невозможным их применение в узлах трения машиностроительных конструкций без специальной обработки поверхности. 

Высокий износ титана и его сплавов обусловлен активным переносом металлических частиц с одной поверхности на другую. 
При работе с другими металлами титан и его сплавы либо переносятся (налипают) на поверхность более твердого металла, после чего трение протекает как в паре титан-титан, либо на поверхность 
титана происходит перенос более мягкого металла и трение протекает как в одноименной паре из мягкого металла. В таких парах наблюдается и взаимный перенос. При трении титана в паре с неметаллами (пластмассами, углеграфитами) частицы износа титана 
внедряются в поверхность детали из неметалла, после чего титан 
начинает интенсивно изнашиваться [14, 17]. 
При трении в поверхностных слоях трущихся деталей происходит развитие пластических деформаций, на интенсивность которых 
значительное влияние оказывает теплота трения. Одновременно с 
этим существенно возрастает роль диффузионных и окислительных 
процессов. Для титана влияние диффузии газов из окружающей 
среды на характер трения и износа оказывается более существенным, чем у обычно применяемых в технике металлов [17]. Это объясняется более высоким сродством к газам по сравнению с многими 
металлами.  
Образование окисной пленки и адсорбция поверхностью газов 
из окружающей среды происходит из-за высокой поверхностной 
активности титана. В результате поверхность теряет способность 
адсорбировать обычно применяемые в машиностроении смазочные 
материалы, поэтому применение последних становится малоэффективным. Это обстоятельство является причиной высокого коэффициента трения (около 0,5) при скольжении титана или титановых 
сплавов друг по другу [14, 15, 17]. Кроме того, при трении большое 
значение приобретает относительно невысокая теплопроводность 
титановых сплавов, из-за чего на поверхности трения повышается 
температура, что приводит к ускорению наводораживания, и как 
следствие, к увеличению износа [8]. При трении титана в минеральных маслах интенсивность его износа не только не снижается по 
сравнению с трением на воздухе, но и увеличивается за счет диффузионного насыщения водородом [18]. 
Известное положение о том, что металлы с гексагональной 
плотноупакованной (ГПУ) кристаллической решеткой имеют более 
высокие антифрикционные свойства, чем металлы с гране- и объемоцентрированными (ГЦК и ОЦК) решетками подтверждалось не

однократно. В работах [19–22] на различных металлах, включая титан, показано, что в процессе трения металлов с гексагональной 
решеткой при нагреве трущихся поверхностей до температур фазового перехода наблюдается скачкообразный рост коэффициента 
трения и скорости износа, что объясняется формированием в зоне 
трения фазы металла с кубической решеткой.  
При исследовании влияния физических свойств кристалла на 
его трибологические свойства [23, 24] установлено, что ориентация 
монокристалла относительно плоскости трения существенно влияет 
на его коэффициент трения и износ. D.H. Buckley предположил, что 
фундаментальным параметром кристалла, оказывающим существенное влияние на его коэффициент трения, является атомная плотность [25]. Так как этот параметр не является постоянным в различных кристаллографических плоскостях одного монокристалла, то на 
трибологические свойства поликристаллических материалов будут 
оказывать влияние такие факторы, как ориентация кристаллических 
зерен относительно плоскости трения и их размер. В гексагональной решетке данный параметр – атомная плотность – выше, чем в 
кубической, поэтому самый низкий коэффициент трения наблюдается у металлов с ГПУ-решеткой. 
Таким образом, титан должен иметь лучшие антифрикционные 
свойства, чем, например, железо. Данный вывод справедлив только 
для сухого трения, когда полностью исключен эффект смазки. Действительно, при трении в вакууме и аргоне титан имеет более низкий коэффициент трения, чем медь, алюминий, железо. Однако в 
реальных средах титан и его сплавы сильно уступают медным и железным сплавам [8].  
Одной из первых научных работ в области исследования антифрикционных свойств титана и его сплавов следует считать работу 
[26], опубликованную в журнале Nature в 1947 г. Ее авторы 
W.A. Wooster и G.L. Macdonald обнаружили, что чистый титан имеет 
свойство налипать при трении на более твердые металлы и минералы. 
Другие работы в этой области, финансируемые NASA, появились в американских изданиях в первой половине 1950-х годов. 
Круг поиска исследователей был весьма обширным: проводили 
трибологические испытания различных титановых сплавов как в 
паре друг с другом, так и с другими металлами и сплавами, используя их различные комбинации, при широком диапазоне значений 
нагрузки и скорости скольжения как на сухом воздухе, так и с раз

личным уровнем влажности, в широком диапазоне температур нагрева – от комнатной до 1000оС, при нормальном атмосферном давлении и в вакууме [27–30]. При этом использовали большое разнообразие измерительных приборов и установок, разработанных специально для каждого вида работ. Вскоре подобные работы стали 
проводить в СССР, хотя многие из них были закрытыми и не имели 
публикаций в научной печати. Позже география научных лабораторий, «втянутых» в проблему трибологии титана и его сплавов, значительно расширилась. Сегодня периодически в печати появляются 
результаты исследований в научных организациях США, Китая, 
Японии, Индии, стран Евросоюза и СНГ. 
В многочисленных исследованиях, посвященных вопросу снижения коэффициента трения и повышения антифрикционных 
свойств титана и его сплавов, можно выделить как минимум три 
различных подхода: а) поиск эффективных смазочных материалов 
для титановых сплавов; б) изменение состава сплава путем легирования титана или получения композитных материалов на основе 
титана порошковыми методами и направления, которому посвящено наибольшее количество работ; в) обработка поверхности титановых сплавов. 
Эффективными смазочными материалами для титана являются 
материалы на основе галоидных соединений или их пары [31–34], 
значительно снижающие коэффициент трения титана (до 0,1 в паре 
титан–титан). При разложении данных материалов в процессе трения на титане формируется защитная пленка на основе галогена (Cl2 
или I2 в зависимости от используемого аниона), устойчивая до 
400оС [31, 35]. Однако использование такого подхода на практике 
весьма затруднительно, так как помимо корродирующего действия, 
которое данные материалы оказывают на сталь, бронзу и алюминий, они растворимы в воде [8].  
При использовании твердых смазочных материалов, таких как 
дисульфид молибдена MoS2 или графит, достигается непродолжительное снижение коэффициента трения до 0,15 с последующим 
увеличением до значений 0,3–0,4, связанным с уносом смазывающих частиц из зоны трения [15, 36]. При использовании покрытий 
на титане на основе частиц MoS2, полученными методами ПЭО и 
лазерной обработкой поверхности [37, 38], коэффициент трения в 
паре со сталью не превышает значения 0,28 около 3 часов при на

грузке 5 Н, но спустя 5 часов испытаний он увеличивается до значений 0,39, что также связано с нарушением целостности покрытия 
в процессе трения.  
В работе [39] сообщается о получении покрытий на основе углеродных нанотрубок на чистом титане, способствующих снижению коэффициента трения в паре со сталью до 0,19. Покрытия получены пропиткой в спиртовом растворе, содержащем нанотрубки, 
и дальнейшим отжигом при температуре 850оС. Однако весьма ограниченный диапазон приведенных параметров испытаний – скорость скольжения 30 мм/с в течение 1 часа – не позволяет сделать 
вывод о применимости данных покрытий для надежной защиты титановых сплавов от фрикционных нагрузок.  
При попытках изменения состава титановых сплавов путем легирования различными металлами [40–41] наблюдается незначительное снижение износа и коэффициента трения, недостаточное 
для длительной работы сплава в условиях трения.  
С использованием методов порошковой металлургии были получены титановые псевдосплавы, обладающие высокими антифрикционными свойствами [42–44]. Описаны различные подходы к 
получению подобных материалов: прессование и спекание титанового порошка с порошками тугоплавких соединений (VC, Mo2C, 
Mo2B5) с получением износостойких композиций, а также получение пористого каркаса на основе чистого титана или титана с частицами TiC, TiB2 с последующей его пропиткой легкоплавкими металлами в качестве твердой смазки. При правильном подборе соотношения компонентов и грануляционного состава порошков можно 
получить сплав с высокими антифрикционными свойствами. Однако применение таких материалов в «привычных» для титана условиях невозможно вследствие низкой коррозионной стойкости даже 
в слабоагрессивных средах. Поэтому эти сплавы не могут считаться 
надежными конструкционными сплавами при жестких условиях 
нагружения в агрессивных средах [1]. 
На сегодняшний день одним из наиболее эффективных подходов к снижению коэффициента трения и повышению рабочих характеристик, в том числе и антифрикционных свойств титана и его 
сплавов, является поверхностная обработка.