СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ NI-TI3C2Tx: МИКРОТВЕРДОСТЬ, КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ И КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ

Автор: Рената Рафаелевна Шаехова

Соавторы: Гусейнов Т.З., Аверкиев И.К.

Организация: Удмуртский Государственный Университет

На сегодняшний день повышение твёрдости, износостойкости и коррозионной защиты никелевых покрытий является актуальной задачей [1]. Перспективным направлением является модификация никеля двумерными карбидами переходных металлов (MXene), в частности двумерным карбидом титана Ti3C2Tx. Целью работы было установление корреляции между концентрацией MXene в электролите, локальной атомной структурой, механическими, трибологическими и коррозионными свойствами композиционных покрытий Ni-Ti3C2Tx

Чешуйки Ti3C2Tx синтезировали травлением алюминия из MAX-фазы Ti3AlC2 [2]. Электроосаждение никеля на железо проводили из сульфатного электролита с добавлением MXene в концентрациях от 0,2 до 2 мг/мл (см. рис. 1). Для исследования образцов применяли следующие методы: EXELFS, СЭМ, РФА, АСМ, измерение микротвердости, потенциодинамическую поляризацию в боратном буфере и трибологические испытания по схеме «шар–плоскость».

В ходе работы установлен трёхстадийный механизм осаждения композиционного покрытия: 1) адсорбция ионов Ni2+ и чешуек Ti3C2Tx; 2) рост частиц никеля на поверхности MXene; 3) присоединение новых чешуек с их последующей металлизацией. Микротвёрдость композита достигает 128 HV при концентрации 0,2 мг/мл Ti3C2Tx, что на 75% выше, чем у чистого никеля (73 HV), и в 4 раза выше, чем у железа (31 HV). Упрочнение объясняется дисперсно-твердотельным механизмом и изменением локальной атомной структуры, что подтверждено данными EXELFS.

Потенциодинамические измерения показали, что покрытие Ni-Ti3C2Tx повышает коррозионную защиту в боратном буферном растворе: наблюдается сдвиг потенциала коррозии в положительную сторону и снижение тока коррозии по сравнению с чистым никелем.

Трибологические испытания выявили интересный эффект. Покрытие на основе только MXene снижает коэффициент трения, что подтверждает способность чешуек Ti3C2Tx выступать в роли эффективной сухой смазки. Однако композиционное покрытие Ni-Ti3C2Tx, напротив, увеличивает трение по сравнению с чистым никелем (см. рис. 1). Данное противоречие объясняется тем, что высокая твёрдость частиц Ti3C2Tx, внедрённых в никелевую матрицу, усиливает абразивное воздействие при скольжении стального контртела, а локальная атомная перестройка на границе Ni/MXene изменяет адгезионный вклад в суммарную силу трения. Таким образом, композиты Ni-Ti3C2Tx эффективны для повышения твёрдости и коррозионной стойкости, но их применение в узлах трения требует оптимизации состава. 

Работа выполнена в рамках госзадания Минорнауки РФ №124021900017-1. Исследования выполнены с использованием оборудования ЦКП «Поверхность и новые материалы» УдмФИЦ УрО РАН.  

1. Egbuhuzor M. O. et al. Electro-deposited nanocomposite coatings and their behaviours against aqueous and high-temperature corrosion: A review //Hybrid Advances. 2024. P. 100180.

2. Shuck C. E. et al. Safe synthesis of MAX and MXene: guidelines to reduce risk during synthesis //ACS Chemical Health & Safety. 2021. Vol. 28. №. 5. P. 326-338.