Способ, как улучшить свойства новых высокоэнтропийных (содержащих не менее пяти компонентов) керамических покрытий для деталей, подвергающихся воздействию сверхвысоких температур и агрессивных сред, установили ученые Томского политехнического университета (ТПУ), сообщает 3 июня пресс-служба вуза.

В ходе исследований специалисты Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов и Инженерной школы новых производственных технологий ТПУ добились повышения стойкости карбидных материалов к окислению при 1100 °C. Покрытия из таких материалов можно будет применять при изготовлении элементов авиационной и аэрокосмической техники.

Результаты исследования новых покрытий были представлены в статье «Синтез и стойкость к окислению высокоэнтропийных карбидных пленок HfZrAlCrTaC, полученных методом реактивного магнетронного распыления» (Synthesis and oxidation resistance of the high-entropy carbide HfZrAlCrTaC films prepared by reactive magnetron sputtering), опубликованной в журнале Ceramics International.

В рамках работ по созданию принципиально новых многослойных покрытий для изделий, работающих в агрессивных средах при сверхвысоких температурах, специалистами Томского политеха ранее были синтезированы материалы на основе оксидов гафния, циркония, церия и иттрия. Для их нанесения был предложен метод магнетронного напыления.

Синтез и исследование свойств высокоэнтропийных материалов на основе карбидов стал следующим этапом этих работ, который должен был решить проблему, возникающую при использовании керамики на основе карбида гафния и карбида циркония.

У этого уникального класса материалов, незаменимых для использования в условиях сверхвысоких температур и агрессивных сред из-за их экстремальных термомеханических свойств и химической стабильности, есть склонность к катастрофическому окислению при температурах выше 500 °C. Этот процесс сопровождается прогрессирующей деградацией материала, растрескиванием и отслоением защитного слоя.

Одним из способов решения этой проблемы является легирование, при котором происходит формирование плотных, часто самовосстанавливающихся оксидных пленок. Но при традиционных методах легирования часто происходит ухудшение механических свойств основного карбида.

Ученые считают более перспективным способом концепцию энтропийной стабилизации многокомпонентных карбидов. Такие сплавы демонстрируют синергетический «эффект коктейля», когда преимущества отдельных компонентов объединяются.

При этом термодинамическая стабилизация высокоэнтропийных фаз подавляет образование дефектов при высоких температурах за счет повышения окислительной устойчивости и сохранения структурной целостности материала. Одновременно улучшаются и его функциональные характеристики, в том числе теплопроводность и стойкость к абляции (разрушение чего-либо путем испарения, скалывания, эрозионных процессов).

Тонкопленочные высокоэнтропийные покрытия можно использовать в качестве промежуточных слоев между традиционными термобарьерными покрытиями, основой которых является диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, и термостойкими подложками, например, из сплавов никеля и хрома, очень устойчивых к отслаиванию во время циклов нагрева.

Один из соавторов статьи, ведущий научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Сергей Зенкин отметил, что существующие исследования по разработке таких покрытий в основном посвящены легированию карбида циркония и карбида гафния танталом, ниобием, титаном, а потенциал легирования алюминием и хромом оставался 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», — рассказал ученый.

В ходе экспериментов для осаждения покрытий на подложки использовался метод магнетронного напыления. Полученные в результате образцы испытывали 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», — дополнил свой рассказ Сергей Зенкин.

По сравнению с материалами на основе нелегированных карбидов гафния и циркония синтезированные покрытия показали увеличение стойкости к окислению до 20 раз, и до 7 раз по сравнению со сплавами, легированными алюминием и легированными хромом.

На следующем этапе исследования ученые ТПУ приступили к тестированию двойных оксид-карбидных высокоэнтропийных систем. Они исследуют их термические и механические характеристики и взаимодействие при экстремальных температурах.