Ученые Томского политеха в составе международной научной коллаборации впервые синтезировали уникальные многокомпонентные покрытия для металлов, сообщает пресс-служба вуза. Речь идет о сверхтвердых материалах — высокоэнтропийных карбидах и карбонитридах, которые были получены всего за одну стадию с помощью инновационного метода плазмодинамического синтеза. Технология позволяет создавать покрытия с заданной кристаллической структурой, исключительной прочностью и высокой термостойкостью. Результаты работы опубликованы в авторитетном международном журнале.
Высокоэнтропийные карбиды представляют собой соединения, в состав которых входят четыре и более металлических элементов. Их ключевые преимущества — чрезвычайная твердость и способность не терять своих свойств при экстремально высоких температурах. Такие характеристики критически важны для аэрокосмической индустрии, атомной энергетики и создания устройств, работающих на пределе возможностей материалов. Однако традиционный способ получения подобных соединений сложен и многостадиен. Он включает длительные процессы измельчения и спекания сырья, что часто приводит к наличию примесей и, как следствие, к нестабильным характеристикам готового продукта.
Группа исследователей, в состав которой вошли и политехники, предложила принципиально иной подход — одностадийный плазмодинамический синтез. В его основе — использование струи дуговой плазмы, разогнанной до высокой скорости. Исходные вещества помещаются в канал формирования плазмы, где под колоссальным воздействием температуры, давления и скорости происходит их мгновенное преобразование. Затем плазменный поток осаждается на подложку — например, медную пластину, — формируя идеально равномерное и прочное покрытие. Весь процесс проходит в контролируемой газовой среде.
На первом этапе метод был успешно апробирован для создания покрытий на основе титана, циркония, ниобия, гафния и тантала. Синтез проводился в среде аргона и азота. В результате ученые получили материал толщиной до 20 микрометров с чистотой кубической кристаллической фазы, без посторонних примесей. Как пояснил один из авторов работы, доцент отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Дмитрий Никитин, подобный однозначный результат для таких сложных многокомпонентных систем был достигнут впервые. Новый подход позволяет гарантированно создавать покрытия со стабильной структурой, что открывает путь для их детального изучения и применения.
Анализ состава методом рентгеновской дифрактометрии, а также испытания механических свойств и термической устойчивости подтвердили высокий потенциал материала. Твердость новых покрытий составила от 32 до 35 ГПа, что превышает не только прогнозируемые значения для подобных составов, но и характеристики классических карбидов. Кроме того, материал продемонстрировал выдающуюся окислительную стойкость, сохраняя стабильную кристаллическую структуру при нагреве до 700°C. Это делает его перспективным для эксплуатации в условиях агрессивных сред.
«Предложенный нами метод универсален, с его помощью в перспективе можно синтезировать множество новых многокомпонентных карбидов с определенным составом, структурой и свойствами. Это позволит разрабатывать дизайн керамических покрытий под конкретные практические задачи — например, для противодействия износу металлических изделий при экстремальных температурах или повышения их коррозионной стойкости», — пояяснил Дмитрий Никитин.
Работа выполнена учеными из лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли Томского политехнического университета, Сколковского института науки и технологий и Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н. И. Пирогова.
