Structure and Mechanical Characteristics of Ti2AlC MAX Phase Cathodes and Deposited Ion-Plasma Coatings

Abstract

У роботі вивчені характеристики структури, твердості, пружності та кавітаційної стійкості матеріалу катодів на основі MAX фази Ti2AlC, виготовлених методом гарячого пресування, а також іонноплазмових покриттів, осаджених з використанням цих катодів на титановий сплав Ti6Al4V. Встановлено, що матеріал катода, який містить 83 ваг. % MAX фази Ti2AlC, характеризується твердістю 10 ГПа, значенням параметра Н/Е 0,04 і низькою кавітаційною стійкістю. Середній кавітаційний знос катоду у 4 рази вище, ніж знос титанового сплаву Ti6Al4V. З'ясовано, що елементний і фазовий склад осаджених покриттів відрізняється від складу катода. Основною фазою в покриттях є нанокристалічний карбід (Тi, Al) C з кубічною структурою типу NaCl. Покриття Ti0,58Al0,17C0,25, осаджене методом іонного розпилення за допомогою дугового джерела газової плазми, характеризується твердістю 21 ГПа. Твердість вакуумно-дугового покриття Ti0,65Al0,07C0,28 ближче до твердості катоду – 13 ГПа, що пов'язано з наявністю в його складі α-Ti. Співвідношення Н/E у покриттів в 1,5 рази вище, ніж у катода, що є передумовою високої кавітаційної стійкості. Середня швидкість кавітаційного зношування вакуумно-дугового покриття Ti0,65Al0,07C0,28 у 1,5 рази нижче, ніж вакуумно-дугового покриття TiN і в 3 рази нижче, ніж сплаву Ti6Al4V без покриття.

In this work, the characteristics of the structure, hardness, elasticity, and cavitation resistance of the material of Ti2AlC MAX phase cathodes manufactured by hot pressing, as well as ion-plasma coatings deposited using these cathodes on titanium alloy Ti6Al4V, have been studied. It was found that the cathode material, which contains 83 wt. % MAX phase Ti2AlC, is characterized by a hardness of 10 GPa, a H/E value of 0.04, and low cavitation resistance. The average cavitation wear of the cathode is 4 times higher than that of the titanium alloy Ti6Al4V. It was found that the elemental and phase composition of the obtained coatings differs from the composition of the cathode. The main phase in the coatings is nanocrystalline carbide (Ti, Al) C with a cubic structure of the NaCl type. Ti0.58Al0.17C0.25 coatings deposited by ion sputtering using an arc gas plasma source are characterized by a hardness of 21 GPa. The hardness of vacuum-arc coating Ti0.65Al0.07C0.28 is closer to the hardness of the cathode – 13 GPa, which is due to the presence of α-Ti in its composition. The H/E ratio of the coatings is 1.5 times higher than that of the cathode, which is a prerequisite for high cavitation resistance. The average rate of cavitation wear of vacuum arc coating Ti0.65Al0.07C0.28 is 1.5 times lower than that of the vacuum arc coating TiN and 3 times lower than that of the uncoated Ti6Al4V alloy.