Первичные нанотрещины в стали 20Х13 возникают из-за напряженно-деформированного состояния, связанного с релаксацией его поверхности. Размер этих нанотрещин равен 1,21 нм. Через 100 нс и более они превращаются в мезотрещины размером 121 нм. При осаждении нитрида титана ионно-плазменным методом его ионы диффундируют в сталь и образуют межфазовый (переходной) слой размером около 130 нм (121 нм). Размер этого слоя экспериментально измерен на сколе турбинной лопатки на электронном микроскопе MIRA 3 фирмы TESCAN, а также используя систему Quanta 200 3D. Вверху этого слоя располагается покрытие TiN с твердостью равной HTiN ≈ 21000 МПа. Внизу этого слоя располагается сталь 20Х13 с пределом прочности σВ = 830 МПа. Полученную нами величину переходного слоя H ≈ 3000 МПа следует назвать адгезионной прочностью нитрид-титанового покрытия на турбинную лопатку из стали 20Х13. Чтобы оторвать покрытие TiN от стали 20Х13, нужно затратить работу адгезии Wa = 2,620 Дж/м2, которая дает для напряжения в переходном слое σа = 2260 МПа. Это напряжение в переходном слое близко к значению H ≈ 3000 МПа. Это означает, что мы предлагаем модель первичных трещин, по которой можно сделать теоретическую оценку адгезионной прочности.
Primary nanocracks in steel 20Х13 arise due to the stress-strain state associated with the relaxation of its surface. The size of these nanocracks is 1.21 nm. After 100 nanoseconds or more, they turn into mesocracks 121 nm in size. When titanium nitride is deposited by the ion-plasma method, its ions diffuse into the steel and form an interfacial (transitional) layer about 130 nm (121 nm) in size. The size of this layer was experimentally measured on a turbine blade cleavage using a TESCAN MIRA 3 electron microscope and also using a Quanta 200 3D system. At the top of this layer there is a TiN coating with a hardness equal to HTiN ≈ 21000 MPa. At the bottom of this layer is steel 20Х13 with ultimate strength σВ = 830 MPa. The value of the transition layer obtained by us H ≈ 3000 MPa should be called the adhesion strength of titanium nitride coating on a turbine blade made of steel 20Х13. To tear off the TiN coating from steel 20Х13, it is necessary to expend the work of adhesion Wa = 2.620 J/m2, which gives σа = 2260 MPa for the stress in the transition layer. This stress in the transition layer is close to H ≈ 3000 MPa. This means that we propose a model of primary cracks from which a theoretical estimate of adhesive strength can be made.
1. Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г. Эволюция микроскопических трещин и пор в нагруженных твердых телах // ФТТ. 2005. Т. 47. Вып. 5. С. 801–807.
2. Скиба Н.В. Взаимодействие мод пластической деформации и их влияние на зарождение и рост трещин в нанокристаллических твердых телах: дис. … докт. физ.-мат. наук. Санкт-Петербург, 2014. 193 с.
3. Веттегрень В.И., Кадомцев А.Г., Щербаков И.П., Мамалимов Р.И. Фракто- и фотолюминесценция кварца при разрушении // ФТТ. 2021. Т. 63. Вып. 8. С. 1120–1125.
4. Юров В.М., Гончаренко В.И., Олешко В.С. Исследование первичных нанотрещин атомарно-гладких металлов // Письма в ЖТФ. 2023. Т. 49. Вып. 8. С. 35–38.
5. Рехвиашвили С.Ш., Киштикова Е.В., Кармокова Р.Ю. К расчету постоянной Толмена // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33. Вып. 2. С. 1–7.
6. Юров В.М. Толщина поверхностного слоя атомарно-гладких кристаллов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2019. Вып. 11. С. 389–397.
7. Yurov V.M., Goncharenko V.I., Oleshko V.S., Sha Mingun. Аnisotropy of the surface of carbon materials // Eurasian Physical Technical Journal. 2021. Vol. 18, Is. 3 (37). P. 15–24.
8. Бойко Ю.М. Аутогезия и адгезия стеклообразных полимеров: дис. … докт. хим. наук. Санкт-Петербург, 2016. 415 с.
9. Хамдохов А.З., Тешев Р.Ш., Хамдохов Э.З., Хамдохов З.М., Калажоков З.Х., Калажоков Х.Х. РФЭС – исследования пленок нитрида титана, сформированных электродуговым методом // Поверхность. 2015. № 7. С. 61–65.
10. Коробов Ю.С. Анализ свойств газотермических покрытий. Ч. 2. Оценка параметров покрытий. Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2016. 92 с.
11. Леванцевич М.А., Максимченко Н.Н., Белый А.Н., Дема Р.Р., Кадошников В.И., Нефедьев С.П., Харчсяш М.В. Адгезионная прочность покрытий, сформированных деформационным плакированием гибким инструментом // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 6. С. 12–18.
12. Погребняк А.Д., Береснев В.М., Демьяненко А.А., Байдак В.С., Комаров Ф.Ф., Каверин М.В., Махмудов Н.А., Колесников Д.А. Адгезионная прочность и сверхтвердость, фазовый и элементный состав наноструктурных покрытий, сформированных на основе Ti−Hf−Si−N // ФТТ. 2012. Т. 54. Вып. 9. С. 1764–1771.
13. Мингажев А.Д., Криони Н.К., Мингажева А.А., Давлеткулов Р.К., Сафин Э.В., Гайфуллин М.Р. Способ оценки адгезионной прочности многослойного покрытия. Патент РФ 2717142. Опубликовано: 18.03.2020. Бюл. № 8.
14. Кудрявцев П.Г. Прогнозирование прочности адгезионных соединений в дисперсных системах // Scientific collection «Interconf». 2021. № 46. С. 353–394.