Политехникам удалось добиться повышенной стойкости карбидных материалов к окислению при 1100 °C. В перспективе подобные покрытия можно применить для элементов авиационной и аэрокосмической техники.
Ученые Томского политеха работают над созданием принципиально новых многослойных покрытий, позволяющих значительно увеличить температурный диапазон их работы. Ранее были синтезированы покрытия на основе оксидов гафния, циркония, церия, иттрия. Для их нанесения используется метод магнетронного напыления. Синтез и исследование свойств высокоэнтропийных материалов на основе карбидов стал следующим этапом исследования.
Керамика на основе карбида гафния и карбида циркония – уникальный класс материалов, сочетающих экстремальные термомеханические свойства с химической стабильностью, что делает их незаменимыми для использования в условиях сверхвысоких температур и агрессивных сред. Однако ключевым ограничением для широкого применения остается их склонность к катастрофическому окислению при температурах выше 500 °C, что приводит к прогрессирующей деградации материала, растрескиванию и отслаиванию защитного слоя. Одна из стратегий борьбы с этой проблемой – легирование, направленное на формирование плотных, часто самовосстанавливающихся оксидных пленок. Однако традиционное легирование зачастую ухудшает свойства основного карбида.
Более перспективной, по словам ученых, является концепция энтропийной стабилизации многокомпонентных карбидов. Подобные сплавы показывают синергетический «эффект коктейля», объединяющий преимущества отдельных компонентов. Так, термодинамическая стабилизация высокоэнтропийных фаз подавляет образование дефектов при высоких температурах, одновременно улучшая функциональные характеристики, включая теплопроводность и стойкость к абляции (разрушение чего-либо путем испарения, скалывания, эрозионных процессов – ред.). Кроме того, энтропийная стабилизация таких систем не только повышает окислительную устойчивость карбидов, но и обеспечивает структурную целостность материала в широком диапазоне температур.
Особый интерес представляют тонкопленочные высокоэнтропийные покрытия, которые могут служить промежуточными слоями между традиционными термобарьерными покрытиями на основе стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония и термостойкими подложками, например, из сплавов никеля и хрома. Подобные сплавы демонстрируют чрезвычайную устойчивость к отслаиванию во время термических циклов.
«При этом существующие исследования сосредоточены, в основном, на легировании карбида циркония и карбида гафния танталом, ниобием, титаном, тогда как потенциал легирования алюминием и хромом остается малоизученным. В данном исследовании мы синтезировали высокоэнтропийный сплав, сочетающий тугоплавкую основную матрицу из карбидов гафния и циркония с окислительными добавками алюминия, хрома и тантала. Подобное сочетание преодолевает структурную несовместимость карбидов, эффективно подавляя фазовую сегрегацию», — комментирует один из соавторов, ведущий научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Сергей Зенкин.
Покрытия осаждались на подложки методом магнетронного напыления. Полученные образцы испытывались на окисление при температуре до 1100 °C..
«Затем были исследованы структурные свойства и элементный состав покрытий. В результате было выявлено, что высокоэнтропийные покрытия на основе карбидов гафния и циркония с добавками алюминия, хрома и тантала проявляют повышенную стойкость к окислению при 1100 °C», – поясняет ученый.
Исследователи уточняют, что синтезированные и изученные покрытия показывают лучшую стойкость к окислению, по сравнению с материалами на основе нелегированных карбидов гафния и циркония (до 20 раз) и сплавами, отдельно легированными алюминием и хромом (до 7 раз). В настоящее время ученые занимаются тестированием двойных оксид-карбидных высокоэнтропийных систем, изучают их термические и механические характеристики, а также их взаимодействие в условиях экстремальных температур.
В проекте принимают участие сотрудники Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов и Инженерной школы новых производственных технологий ТПУ.
Источник: пресс-служба Томского политехнического университета