Ученые Университета МИСИС представили новый керамический материал с высокой прочностью, и максимальной устойчивостью к окислению, на основе которого в перспективе можно создавать надежные защитные покрытия и детали для атомной, аэрокосмической и автомобильной промышленностей. Добавление титана и циркония способствовало упрочнению базового материала и повышению его стойкости к высокотемпературному окислению на 83%. Усовершенствованные образцы лучше сопротивляются разрушению в экстремальной среде и наиболее эффективны при изготовлении элементов, где легкий вес имеет решающее значение.
Высокоэнтропийные материалы — это особый вид соединений, состоящий из нескольких разных элементов, обычно более пяти и смешанных в равных пропорциях. К ним относятся различные соединения, например, оксиды, бориды, карбиды, нитриды и карбонитриды. Она обладает отличными механическими свойствами, устойчивостью к химическим воздействиям, нагреву, окислению и радиации, что делает её перспективным материалом для применения в современных технологиях.
«Наилучшими характеристиками по сравнению с другими видами керамики обладают высокоэнтропийные карбонитриды. Они прочные за счет небольшого размера зерен и особенной структуры, а также хорошо сопротивляются разрушающему воздействию тепла и кислорода. Тем не менее, механизмы, контролирующие процессы их окисления, до сих пор остаются недостаточно изученными. Наша задача — детально исследовать их и предложить готовые решения для промышленности», — отметил к.т.н. Дмитрий Московских, директор НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСИС.
Чтобы улучшить стойкость материала к окислению, ученые НИТУ МИСИС добавили в состав тугоплавкие цирконий и титан. Комбинируя различные методы обработки, исследователи получили высокоэнтропийный карбонитрид (Hf,Ta,Nb,Zr,Ti)(C,N). Усовершенствованные образцы отличались высокой прочностью и плотностью. Добавки помогли значительно улучшить стойкость к высокотемпературному окислению: до модификации удельный прирост массы составлял 93 мг/см2, после добавления комбинации титана и циркониям он снизился на 83%. Введение азота в решетку высокоэнтропийного карбида снизило удельный прирост массы при окислении на 12%. Такие результаты подчеркивают потенциал материалов для применения в тех областях, где снижение веса имеет решающее значение.
«Добавки уплотнили оксидный слой, образующийся в процессе окисления, что усиливает его барьерную функцию и уменьшает количество дефектов. Более плотная структура защищает образцы от проникновения кислорода внутрь и, следовательно, предотвращает дальнейшее окисление. Улучшенные материалы могут выдерживать экстремальную температуру, что делает их перспективными для износостойких элементов, в том числе турбин и выхлопных систем, где термическая стабильность имеет решающее значение», — рассказала к.т.н. Вероника Суворова, научный сотрудник НИЦ «Конструкционные керамические материалы» НИТУ МИСИС.
Кроме того, добавление титана и циркония позволило повысить температуру окисления с 1005 °C до до 1240°C. Подробные результаты описаны в научном журнале Journal of the European Ceramic Society (Q1).
Исследование проведено при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 19-79-30025).
