Перспективный электронно-ионно-плазменный метод создания борсодержащих покрытий и слоев материалов для аэрокосмического двигателестроения и атомной энергетики разработали специалисты Института сильноточной электроники (ИСЭ) СО РАН, сообщает 8 декабря пресс-служба Томского научного центра СО РАН.

Покрытия, выполненные новым методом, демонстрируют стабильно высокие характеристики прочности и износостойкости. Руководитель исследования, главный научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники Юрий Иванов, рассказал о проделанной работе:

«Бор — очень полезный, но довольно капризный и хитрый химический элемент. Насыщение поверхности нержавеющих сталей бором позволяет использовать их в атомной энергетике: они поглощают нейтроны, тормозят ядерную реакцию. Одно из перспективных применений таких материалов — производство контейнеров для хранения отходов атомных производств».

Легированные бором стали имеют низкую пластичность. Поэтому ученые отказались от внесения бора в весь объем стали, как это делается при легировании, но лишь в 10–30 мкм поверхностного слоя детали, который должен создать на ней суперброню, защищающую и от высоких, и от низких температур, а также от трения и износа.

Методы насыщения поверхностей деталей из нержавеющих сталей бором основаны на напылении на их поверхности пленок из боридов тугоплавких металлов, температура плавления которых достигает 3 тыс. °C.

Исследователями были получены несколько видов таких покрытий, которые можно применять в космической отрасли, атомной энергетике, а также для производства высокопрочных подшипников.

В этом ученым помогло оборудование, созданное в ИСЭ СО РАН, — комплекс уникальных электрофизических установок для эффективной электронно-ионно-плазменной модификации поверхности материалов и изделий «УНИКУУМ».

Исследователи разработали режимы, задавая которые, оператор установки сможет получать необходимую толщину и состав слоев упрочняющего покрытия деталей.

В настоящее время коллектив ИСЭ РАН занимается созданием технологий получения высокоэнтропийных сплавов (ВЭСов) и разработкой физических основ технологий модификации их поверхности электронно-ионно-плазменным методами.

Конечная цель исследований — получение борсодержащих нанокристаллических слоев в сплаве и создание методики формирования покрытий на основе боридов тугоплавких металлов на деталях из ВЭС.

Высокоэнтропийный сплав, пояснил Юрий Иванов, содержит в составе кристаллической решетки не менее пяти различных химических элементов в равном (эквиатомном) количестве.

Такие сплавы сохраняют однофазное состояние и обладают уникальными свойствами, позволяющими использовать детали из них как в условиях экстремально высоких (аэрокосмическая техника), так и экстремально низких (Арктика) температур. Они характеризуются высокой износостойкостью, химической и коррозионной стойкостью, а также сочетанием высокой твердости и высокой пластичности.

Команда из ИСЭ СО РАН разработала на основе ионно-плазменных технологий метод формирования пленок и покрытий из высокоэнтропийных сплавов. Для этого они используют несколько металлических катодов, изготовленных каждый из одного-двух требуемых в составе покрытия элементов. Такая технология позволяет получать заданные концентрацию и элементный состав получаемых высокоэнтропийных покрытий.

Ученые исследуют методы введения в состав высокоэнтропийного сплава атомов бора, в том числе формирование покрытия в виде «слоеного пирога», который состоит из пленок высокоэнтропийного сплава, бора и тугоплавкого металла.

Далее изделие с таким слоеным покрытием помещают в установку «СОЛО», входящую в состав «УНИКУУМа», где эти слои сплавляются электронным пучком. Получаемое покрытие имеет твердость и износостойкость, многократно превышающие аналогичные характеристики высокоэнтропийного сплава без бора.

В планах ученых создание метода насыщения высокоэнтропийных сплавов атомами бора совместно с атомами азота. Покрытия с нитридами бора, считают исследователи, по многим параметрам превзойдут алмаз, что позволит использовать их при изготовлении инструментов для высокопродуктивной обработки стали в тяжелом машиностроении, автомобилестроении и добывающей промышленности.