Томские ученые получили сверхстойкие к окислению высокотемпературные интерметаллиды, легированные редкоземельными элементами
Ученые Томского научного центра СО РАН (ТНЦ СО РАН) предложили эффективный способ повышения срока службы пористых металлических горелок, получаемых методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Благодаря новому подходу стойкость микролегированных сплавов к высокотемпературному окислению повысилась до 5 раз.
Сначала ученые создали покрытие из диспрозия или иттрия на поверхности металлических порошков, небольшая добавка которых позволяет равномерно распределять микроконцентрацию редкоземельных элементов (РЗЭ) по всему объему получаемых пористых изделий.
«Сейчас по всему миру активно ведутся разработки пористых интерметаллидных сплавов, способных работать в окислительных средах и выдерживать без разрушения высокие температуры (свыше 1 000 ℃). Такие материалы необходимы для создания передовых энергоустановок и аппаратов химической технологии. Известно, что даже небольшая добавка на уровне 0,05 атомных процентов редкоземельных элементов, таких как диспрозий, иттрий или гадолиний, значительно повышает стойкость сплавов к окислению, а значит, и срок их службы при высоких температурах», — рассказал один из участников исследований, младший научный сотрудник лаборатории технологического горения ТНЦ СО РАН Никита Пичугин.
Как отмечают в ТНЦ СО РАН, подобные пористые изделия изготавливаются в основном с помощью порошковых технологий, однако в России порошки металлов с микроконцентрациями РЗЭ практически недоступны. Поэтому задачей ученых было разработать оборудование и технологию для нанесения РЗЭ на поверхность порошков, а также продемонстрировать возможность их применения для создания пористых изделий с улучшенными свойствами.
Сотрудники лаборатории перспективных технологий ТНЦ СО РАН предложили специальное оборудование для модификации доступных коммерческих порошков. Обработку проводили в камере электронно-пучковой установки, где методом магнетронного распыления на поверхность частиц порошка напыляется тонкий слой редкоземельного элемента, а потом под воздействием электронного пучка происходит сплавление покрытия с материалом частицы. Таким образом получается порошковый мастер-сплав с частицами типа «ядро-оболочка». «Ядра» в нем составляют порошки алюминия и хрома, а нанесенные «оболочки» — диспрозий и иттрий.
Полученные мастер-сплавы были использованы для получения пористых интерметаллидов методом СВС. Этот процесс можно сравнить с горением большой бенгальской свечи: смесь порошков никеля, алюминия и мастер-сплава способна медленно гореть при температурах свыше 1 500–1 600 ℃ с образованием пористых структур. Ученые определили, как правильно использовать новые мастер-сплавы, чтобы микроконцентрация РЗЭ равномерно распределилась по всему объему материала.
Испытания показали, что высокотемпературная окислительная стойкость микролегированных пористых материалов до 5 раз выше, чем у обычных интерметаллидов. Их применение при изготовлении горелок, в том числе инфракрасных, многократно продлит срок эксплуатации этих изделий при высоких температурах.