Балабанов Виктор Иванович, д-р техн. наук, профессор
127434, г. Москва, Тимирязевская ул., 49
Viktor I. Balabanov, DSc (Eng), Professor; Acting Head of the Department of Agricultural Construction
127434, Moscow, Timiryazevskaya Str., 49
Ивахненко Наталья Николаевна, канд. физ.-мат. наук, доцент; доцент кафедры физики
127434, г. Москва, Тимирязевская ул., 49
Natalya N. Ivakhnenko, CSc (Phys. – Math.), Associate Professor; Associate Professor of the Department of Physics
127434, Moscow, Timiryazevskaya Str., 49
Борулько Вячеслав Григорьевич, д-р техн. наук; и.о. заведующего кафедрой техносферной безопасности
127434, г. Москва, Тимирязевская ул., 49
Vyacheslav G. Borulko, DSc (Eng); Acting Head of the Department of Technosphere Safety
127434, Moscow, Timiryazevskaya Str., 49
Добряков Дмитрий Викторович, аспирант
141261,Московская область, Пушкинский р-н, р.п. Правдинский, ул. Лесная, 60
Dmitry V. Dobryakov, postgraduate student
141261, Moscow Region, Pushkino District, Pravdinsky, Lesnaya Str., 60
Кругляк Анастасия Игоревна, инженер Сектора ядерно-физического материаловедения и ионно-имплантационных нанотехнологий
141980, Московская обл., г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, 6
Anastasia I. Kruglyak, Engineer, Sector of Nuclear-Physical Materials Science and Ion-Implantation Nanotechnologies
141980, Moscow Region, Dubna, Joliot-Curie Str., 6
Бадекин Максим Юрьевич, старший преподаватель кафедры техносферной безопасности
127434, г. Москва, Тимирязевская ул., 49
Maxim Yu. Badekin, Senior Lecturer, the Department of Technosphere Safety
127434, Moscow, Timiryazevskaya Str., 49
Прогнозировать свойства фрикционного покрытия для деталей машин, полученного в результате термомеханических и диффузионных процессов, можно при установлении корреляции параметров морфологии, элементного распределения и условий синтеза покрытий. С целью установления взаимосвязи этих факторов исследованы структура и состав медно-алюминиевого покрытия, синтезированного методом in situ фрикционного натирания на стальных подложках. Морфология поверхности и поперечного сечения изучена с помощью сканирующей электронной микроскопии в режиме обратно рассеянных электронов. Для количественной характеристики сложной системы трещин выполнен фрактальный анализ методом равномерных сеток. Глубинное распределение элементов Cu, Al, O и толщина слоев определены методом спектроскопии резерфордовского обратного рассеяния (RBS). Полученное медно-алюминиевое покрытие характеризуется выраженной многоуровневой структурой. Данные RBS подтвердили формирование многослойной системы, включающей в себя поверхностную оксидную пленку Al2O3 (~5…15 нм), слой, обогащенный алюминием с градиентом меди, переходную диффузионную зону и медную подложку. СЭМ-анализ выявил масштабно-инвариантную организацию дефектов: от мозаичной полигонизации (20…80 мкм) до ультрамелкозернистой субструктуры (0,5…2 мкм) – и наличие оксидных включений (50…200 нм). Фрактальная размерность трещиноватой сети 1,917±0,076 свидетельствует о ее высокой степени самоподобия в диапазоне масштабов 10…300 мкм. Плотность дефектов на микроуровне достигает 45,7%. Трещинообразование обусловлено комбинированным действием термомеханических напряжений и хрупкости интерметаллидных фаз, возникающих в условиях активной междиффузии. Одновременно фрикционный нагрев активирует поверхностное окисление. Раскрытие фундаментальной связи между параметрами фрикционного процесса, фрактальной природой дефектов и составом покрытий позволит целенаправленно задавать свойства биметаллическим системам.
The properties of a friction coating for machine parts obtained through thermomechanical and diffusion processes can be predicted by establishing a correlation between morphology parameters, elemental distribution, and coating synthesis conditions. To investigate the relationship among these factors, the authors examined the structure and composition of a copper-aluminum coating synthesized by in situ friction cladding on steel substrates. Surface and cross-sectional morphology were studied using scanning electron microscopy (SEM) in backscattered electron mode. Fractal analysis employing the grid method was performed to quantitatively characterize the complex crack system. The depth distribution of Cu, Al, and O, as well as the layer thickness, were determined by Rutherford backscattering spectroscopy (RBS). The obtained copper-aluminum coating exhibits a pronounced multilevel structure. RBS data confirmed the formation of a multilayer system comprising a surface Al₂O₃ oxide film (~5-15 nm), an aluminum-enriched layer with a copper gradient, a transition diffusion zone, and a copper substrate. SEM analysis revealed scale-invariant defect organization, ranging from mosaic polygonization (20-80 μm) to an ultrafine-grained substructure (0.5-2 μm), along with the presence of oxide inclusions (50-200 nm). The fractal dimension of the crack network, measured at 1.917 ± 0.076, indicates a high degree of self-similarity over a scale range of 10-300 μm. The defect density at the micro level reaches 45.7%. Crack formation arises from the combined effect of thermomechanical stresses and the brittleness of intermetallic phases generated under conditions of active interdiffusion. Concurrently, frictional heating activates surface oxidation. Elucidating the fundamental relationship between the parameters of the friction process, the fractal nature of defects, and the coating composition will enable the targeted tailoring of properties in bimetallic systems.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.