Томские ученые разработали технологию получения керамических покрытий повышенной стойкости
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) выяснили, как улучшить свойства высокоэнтропийных (содержащих не менее пяти компонентов) керамических покрытий для использования при сверхвысоких температурах и в агрессивных средах. В перспективе подобные покрытия могут применяться в авиационной и аэрокосмической технике.
Керамика на основе карбида гафния и карбида циркония — уникальный класс материалов, сочетающих экстремальные термомеханические свойства с химической стабильностью, что делает их незаменимыми при использовании в условиях сверхвысоких температур и агрессивных сред. Однако ключевым ограничением для широкого применения остается их склонность к катастрофическому окислению при температурах выше 500 °C, что приводит к быстрой деградации материала, растрескиванию и отслаиванию защитного слоя. Одна из стратегий борьбы с этой проблемой — легирование, направленное на формирование плотных, часто самовосстанавливающихся оксидных пленок. Однако традиционное легирование зачастую ухудшает свойства основного материала.
Более перспективной, по словам ученых, является концепция энтропийной стабилизации многокомпонентных карбидов. Подобные сплавы показывают синергетический «эффект коктейля», объединяющий преимущества отдельных компонентов. Энтропийная стабилизация таких систем не только повышает окислительную устойчивость карбидов, но и обеспечивает структурную целостность материала в широком диапазоне температур.
Ученые Томского политеха работают над созданием принципиально новых многослойных покрытий, позволяющих значительно увеличить температурный диапазон их работы. Ранее были синтезированы покрытия на основе оксидов гафния, циркония, церия, иттрия. Для их нанесения используется метод магнетронного напыления. Следующим этапом исследования стали синтез и исследование свойств высокоэнтропийных материалов на основе карбидов.
Особый интерес, по мнению исследователей, представляют тонкопленочные высокоэнтропийные покрытия, которые могут служить промежуточными слоями между традиционными термобарьерными покрытиями на основе стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония и термостойкими подложками, например, из сплавов никеля и хрома. Подобные сплавы демонстрируют чрезвычайную устойчивость к отслаиванию во время термических циклов.
«Существующие исследования сосредоточены в основном на легировании карбида циркония и карбида гафния танталом, ниобием, титаном, тогда как потенциал легирования алюминием и хромом остается 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 один из авторов работы, ведущий научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Сергей Зенкин.
В ходе экспериментов ученые осаждали смеси на подложки методом магнетронного напыления, а полученные образцы испытывались на окисление при температуре до 1100 °C. Результаты показали, что высокоэнтропийные покрытия на основе карбидов гафния и циркония с добавками алюминия, хрома и тантала проявляют лучшую стойкость к окислению по сравнению с материалами на основе нелегированных карбидов гафния и циркония (до 20 раз) и сплавами, отдельно легированными алюминием и хромом (до 7 раз).
В настоящее время ученые занимаются тестированием двойных оксид-карбидных высокоэнтропийных систем, изучают их термические и механические характеристики, а также их взаимодействия в условиях экстремальных температур.