Специалисты Томского политехнического университета впервые разработали покрытия из многокомпонентных карбидов и карбонитридов на металлах, используя метод плазмодинамического синтеза в одностадийном процессе. Данная технология, разработанная политехниками, позволяет получать материал с предсказуемой структурой, обладающий высокой прочностью и твердостью, а также устойчивостью к воздействию высоких температур.
Работа была выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и инноваций Российской Федерации (проект № FSWW-2025-0003). Материалы исследования доступны в журнале Международный журнал по изворотливых металлов и твердых материалов (Q1, IF: 4,6).
Высокоэнтропийные карбиды представляют собой соединения, состоящие из четырех или более металлов. Благодаря исключительной прочности и устойчивости к высоким температурам, они востребованы в аэрокосмической отрасли и в оборудовании, предназначенном для эксплуатации в сложных условиях. Процесс создания этих материалов, как правило, включает в себя несколько стадий: измельчение исходного сырья и его спекание с добавлением карбида кремния. Это усложняет синтез и препятствует получению чистого продукта. Кроме того, изделия, содержащие примеси, демонстрируют значительную изменчивость в конечных свойствах.
Специалисты Томского политеха разработали инновационный способ получения высокоэнтропийных карбидов за один этап. Технология предполагает использование струи дуговой плазмы, которая распыляется на высокой скорости. Для производства материала исходные компоненты помещают в канал плазменного формирования, где под воздействием экстремальных температуры, скорости и давления происходит осаждение на медную пластину, формируя однородное покрытие. Синтез осуществляется в газовой среде.
«Наш метод был использован для получения многокомпонентных карбидов и карбинитридов титана, циркония, ниобия, гафния и тантала. Синтез осуществлялся в аргоновой и азотной атмосферах. Готовый материал, формирующий кубическую кристаллическую фазу без примесей, достигает толщины до 20 мкм. Подобные результаты получены впервые. Существующие способы синтеза высокоэнтропийных карбидов и карбинитридов не давали однозначных результатов из-за трудностей, возникающих при формировании многокомпонентных соединений, и значительных колебаний характеристик полученных материалов. Наш метод позволяет создавать высокоэнтропийные керамические покрытия со стабильной кубической структурой, что открывает возможности для проведения их всесторонних исследований», — подчеркивает один из авторов исследования, доцент отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Дмитрий Никитин.
С помощью рентгеновской дифрактометрии были исследованы состав, а также механические свойства и термическую стабильность готовых изделий, выполненных политехниками. Полученные данные свидетельствуют о том, что твердость высокоэнтропийных покрытий находится в диапазоне 32–35 ГПа, что выше ожидаемых значений для материалов данного типа и превосходит показатели обычных карбидов. Специалисты отмечают, что образцы, изготовленные новым способом, характеризуются высокой устойчивостью к окислению: при воздействии температуры 700 °C кристаллическая структура покрытий сохраняется, что делает их многообещающими для применения в агрессивных средах.
«Разработанный нами подход является универсальным, и в будущем он позволит синтезировать широкий спектр новых многокомпонентных карбидов с заданным составом, структурой и характеристиками. Это создаст возможность проектирования керамических покрытий для решения конкретных задач, таких как защита металлических изделий от износа при высоких температурах или повышение их устойчивости к коррозии», — отмечает Дмитрий Никитин.
В работе над исследованием были задействованы специалисты из лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли Томского политехнического университета, Сколковского института науки и технологий и Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н.И. Пирогова.
Пресс-служба Томского политехнического университета предоставила информацию и фотографии