Ученые из Томского политехнического университета впервые разработали образцы сверхтвердых материалов принципиально нового типа, используя уникальную технологию. Высокоэнтропийные бориды были получены в атмосферных условиях с помощью электродугового реактора, созданного в ТПУ. Характеристики полученных образцов близки к свойствам материалов, синтезированных альтернативными, более затратными способами. В дальнейшем электродуговой метод, не требующий вакуума, может стать востребованным подходом при создании материалов для металлургической, машиностроительной и аэрокосмической отраслей.
Результаты исследования опубликованы в International Journal of Refractory Metals and Hard Materials (Q1, IF: 4.6) и поддержаны грантом РНФ (№ 25-19-00390).
Высокоэнтропийные бориды – это соединения, в состав которых входят четыре и более различных металлических элемента наряду с бором. Они представляют собой новый тип керамики, способной выдерживать чрезвычайно высокие температуры (превышающие 3000 °C), что делает их весьма привлекательными для исследователей. Материалы, основанные на высокоэнтропийных боридах, также характеризуются значительной твердостью, устойчивостью к коррозионному воздействию и окислению. Это открывает возможности для их применения в таких областях, как металлургия, производство оборудования, авиационная промышленность и другие отрасли.
Два наиболее распространенных метода получения высокоэнтропийных боридов – борокарботермическое восстановление и самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) с последующим искровым плазменным спеканием или горячим прессованием – обладают заметными ограничениями. Прежде всего, это дорогостоящая процедура, требующая применения специализированного оборудования и осуществляемая как минимум при высоких температурах и в инертной атмосфере, а в некоторых случаях и при повышенном давлении. Кроме того, условия и характеристики материалов, необходимые для синтеза, до сих пор недостаточно исследованы. Также для осуществления некоторых процессов требуется специфическое исходное сырье. В настоящий момент в мире не производится ни один из известных высокоэнтропийных боридов.
Ученые считают, что электродуговые методы могут быть эффективны для получения боридов, включая многокомпонентные соединения. Использование дугового разряда позволяет достигать очень высоких температур в течение небольшого промежутка времени. Также для синтеза применяется оборудование, которое широко доступно и используется в промышленности.
В лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли Инженерной школы энергетики ТПУ коллективом ученых разработан уникальный способ получения керамических материалов – бессвакуумный электродуговой метод синтеза. Этот метод позволяет создавать бескислородную керамику с помощью дугового разряда постоянного тока в атмосферных условиях, без необходимости применения вакуумного и газового оборудования. Благодаря этому процесс синтеза значительно упрощается, потребление энергии сокращается, а общая производительность увеличивается. Ранее данный метод уже показал свою результативность при синтезе различных карбидов металлов.
«Высокоэнтропийный борид, один из наиболее известных представителей данного класса соединений, впервые был синтезирован с использованием метода электродуговой плавки без вакуума. В ходе проведенных исследований была определена оптимальная технология получения высокоэнтропийного борида на основе порошкообразных металлов титана, циркония, ниобия, гафния, тантала и аморфного бора, а также отработан соответствующий метод. В отличие от ранее выполненных работ, для синтеза использовался трехфазный электродуговой реактор с повышенной мощностью, что позволило обрабатывать большие объемы исходного сырья. Проведен анализ химического состава, структуры и формы поверхности полученных порошков. На их основе методом искрового плазменного спекания были созданы объемные образцы сверхвысокотемпературной керамики. Этот успешный опыт позволяет расширить возможности для синтеза всех известных и предполагаемых высокоэнтропийных боридов», – отметил руководитель лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли Александр Пак.
Политехники определили рабочие параметры, такие как сила тока и продолжительность горения дуги, которые требуются для синтеза порошков. Оптимальные и стабильные результаты были достигнуты при силе тока 200 А и времени горения дуги 90 секунд. Кроме того, была проведена оценка характеристик объемных образцов, включая твердость, относительную плотность и теплофизические свойства.
«Наши исследования показали, что порошки высокоэнтропийных боридов, изготовленные методом электродуговой плавки без использования вакуума, могут эффективно применяться для искрового плазменного спекания объемных керамических изделий. Полученные таким образом образцы характеризуются твердостью, сопоставимой с показателями, достигнутыми при спекании в схожих условиях из порошков, полученных другими способами. Более того, в ряде случаев твердость образцов, полученных нами, превосходит характеристики аналогичных материалов, представленных в научной литературе», – отмечает младший научный сотрудник лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли Арина Свинухова.
Политехники создали метод, позволяющий оперативно проверять предположения о возможности получения определенного высокоэнтропийного борида. В перспективе исследователи намерены продолжить работу над синтезом как известных, так и новых высокоэнтропийных боридов, составы которых были предсказаны теоретически.