Материаловеды Томского государственного университета впервые доказали возможность синтеза высокоэнтропийной керамики из системы Hf-Ti-FeV-Cr-N методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Исследователи предполагают, что благодаря высокой температуре плавления элементов такую керамику можно будет использовать для создания жаропрочных элементов в установках нефтедобывающей и аэрокосмической отраслях, газотурбинных установках.
Результаты эксперимента опубликованы в высокорейтинговых журналах (Q1 и Q2). Исследования проводятся при поддержке гранта Российского научного фонда. Ученые лаборатории нанотехнологий металлургии ТГУ первыми в мире получили высокоэнтропийный (сплав из 5 и более металлов) керамический материал из комбинации порошков редкоземельных металлов гафния, титана, железа, ванадия, хрома и неметалла – азота. Эксперимент проведен с помощью метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Затем методом рентгеноструктурного анализа ученые выяснили, что полученные продукты синтеза имеют гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру.
В последние десятилетия научные коллективы ищут различные комбинации элементов, которые могут улучшить физико-механические свойства высокоэнтропийного сплава. По словам материаловедов ТГУ, использованная ими комбинация металлов и азота для получения высокоэнтропийного сплава нигде им ранее не встречалась.
– Мне пришла мысль смешать редкоземельные металлы – гафний, титан и другие, которые при реакции выделяют много тепла. Мы предположили, что из такой цепочки сможем получить раствор с объемно-центрированной кубической или гранецентрированной кубической кристаллической структурой, свойственной высокоэнтропийным сплавам, – рассказывает заведующий лабораторией нанотехнологий металлургии ТГУ Илья Жуков. – При использовании метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза порошковая смесь сама быстро и послойно «сгорает» за счет реакций металлов друг с другом и взаимодействия с азотом в герметичном реакторе.
У титана и гафния похожий химический состав, а у железа, ванадия и хрома почти одинаковые атомные радиусы и электроотрицательность. Все эти металлы имеют высокотемпературную экзотермическую реакцию с азотом, при которой выделяется большое количество тепловой энергии, добавляет старший сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии ТГУ Николай Евсеев.
Сначала порошковая металлическая смесь прошла механическую активацию в планетарной мельнице в течение 120 минут. Затем ученые спрессовали порошки, сделали образцы диаметром 23 мм и массой 40 г и поместили их в реактор высокого давления, из которого удалили воздух и накачали азот чистотой 99,99 процентов. В качестве воспламеняющего слоя использовали титан. Горение происходило послойно и равномерно, что определило однородность состава продуктов синтеза. Следующим этапом работ станет изучение широкого спектра физико-механических свойств и установление взаимосвязей со структурой полученного материала.
Описание экспериментальных работ, результаты и выводы опубликованы в высокорейтинговых научных журналах Material Letters и Ceramics International, а также на платформе Springer Link. В эксперименте участвуют сотрудники лаборатории нанотехнологий металлургии ТГУ Илья Жуков (заведующий лабораторией), старший научный сотрудник Николай Евсеев и аспиранты физико-технического факультета ТГУ Алексей Матвеев и Иван Бельчиков.