Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) вместе с коллегами из Сколтеха и РНИМУ им. Н.И. Пирогова впервые создали многокомпонентные покрытия из высокоэнтропийных карбидов и карбонитридов с помощью метода плазмодинамического синтеза в один шаг. В отличие от аналогов, новый метод позволяет стабильно получать материал с заданной структурой высокой прочности и твердости, способный выдерживать высокие температуры.
Высокоэнтропийные карбиды — это соединения из четырех и более металлических элементов. Они чрезвычайно прочные и обладают термической стойкостью, что важно для аэрокосмической техники и других устройств, работающих в экстремальных условиях. Получение таких материалов обычно проходит в несколько этапов: измельчение исходного сырья и его спекание с добавлением карбида кремния. Это усложняет процесс синтеза и не дает получить чистый продукт на выходе. К тому же, готовые изделия из-за примесей в составе имеют большой разброс в конечных характеристиках.
Разработанный метод основан на распылении струи дуговой плазмы с высокой скоростью. Для получения материала таким методом в канал формирования плазмы помещаются исходные вещества, далее под действием высокой температуры, скорости и давления плазма осаждается на медную пластину, образуя равномерное покрытие. Весь процесс синтеза проходит в газовой среде.
«Мы апробировали наш метод на получении многокомпонентных карбида и карбонитрида титана, циркония, ниобия, гафния и тантала. Их синтез проходил в условиях аргоновой и азотной среды. Толщина готового материала, который образует кубическую кристаллическую фазу без примесей, достигает до 20 мкм. Подобные результаты были получены впервые. Дело в том, что существующие подходы к синтезу высокоэнтропийных карбидов и карбонитридов не позволяли получить однозначные результаты из-за сложности образования многокомпонентных соединений и больших разбросов свойств готовых изделий. Наш метод позволяет напылять высокоэнтропийные керамические покрытия со стабильной кубической структурой, что обеспечивает возможность проведения их комплексных исследований», — рассказал один из авторов исследования, доцент отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Дмитрий Никитин.
Ученые исследовали полученный состав методом рентгеновской дифрактометрии, а также оценили механические свойства и термическую устойчивость готовых изделий. Результаты показали, что твердость высокоэнтропийных покрытий составляет 32–35 ГПа, что превышает прогнозируемые величины для материалов подобных составов и характеристики соответствующих простых карбидов. По словам ученых, образцы, полученные новым методом, обладают также высокой окислительной стойкостью: покрытия сохраняют кристаллическую структуру при температуре 700 °C, что делает их перспективными для использования в условиях агрессивной среды.
Авторы отмечают, что предложенный ими метод универсален, с его помощью в перспективе можно синтезировать множество новых многокомпонентных карбидов с заданными 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.