Ученые из Института теоретической и прикладной механики имени С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук создали инновационный композитный материал, сочетающий титан и частицы карбида бора. Новый материал демонстрирует значительно улучшенные характеристики износостойкости, превышающие показатели стандартных титановых сплавов в два раза. Результаты исследования были опубликованы в научной статье опубликована в международном журнале Surfaces and Interfaces .
Композитные материалы – это соединения из двух или более различных веществ, имеющих отличные характеристики. Эти материалы объединяют преимущества каждого компонента, благодаря чему создаются изделия с улучшенными физико-механическими показателями. Это делает их востребованными в тех сферах, где требуется высокая прочность, малый вес и продолжительный срок службы конструкций.
Армирование металлической матрицы керамическими частицами является одним из действенных методов производства металлокерамических композитов. Данную технологию применяют и в Институте технологии прикладной химии СО РАН: исследователи улучшили характеристики традиционного титанового сплава ВТ6, включив в его состав частицы карбида бора. В результате износостойкость полученного композиционного материала возросла почти в два раза, что обусловлено исключительной твердостью карбида бора – одного из самых твердых материалов среди известных керамик – и его способностью защищать изделие от износа.
Не менее важным было не только создание композитного материала, но и определение оптимального метода его нанесения, обеспечивающего высокое качество покрытия. Для достижения этой цели исследователи изготавливают опытные образцы с использованием 3D-печати металлических деталей, где функцию принтера выполняет специализированный лазерный комплекс. В основе установки находится мощный волоконный лазер, установленный на подвижном роботе-манипуляторе с соплом для подачи порошка. Робот двигается по точно заданным координатам, формируя изделие требуемой конфигурации. Технология печати заключается в следующем: лазер плавит металлическую основу из титана (подложку), создавая небольшую область расплавленного металла, в которую из сопла подается порошковая смесь. Послойное затвердевание металла приводит к формированию готового изделия точной формы.
Прототип перспективного покрытия имеет следующий вид. Материал формируется на основе подложки, размеры которой приблизительно 5×5 см. Толщина покрытия варьируется в пределах 3 мм и выше, ширина составляет около 2 см, а длина – примерно 5 см.
«Основная трудность при работе с керамикой – появление трещин. В процессе наплавления слоев материал растрескивался, что приводило к необратимой потере его ценных характеристик. Эти дефекты делали композит непригодным для дальнейшего использования, поскольку восстановление было невозможно. Для устранения этой проблемы было разработано специальное устройство – модуль подогрева подложки. Эта доработка оборудования позволяет поддерживать температуру подложки, на которую наносится материал, около 500 °C. В результате подобного подхода значительно уменьшается скорость охлаждения слоев, и трещины перестают образовываться. Но главное достижение заключается не только в получении композита без дефектов. Теперь мы имеем возможность формировать изделие практически в любых условиях работы установки, что впервые позволит изменять свойства металлокерамического изделия в процессе его создания, – объясняет младший научный сотрудник ИТПМ СО РАН Илья Сергеевич Герцель.
Достигнув температуры подогрева подложки, обеспечивающей получение образца без трещин, можно изменять энергию, передаваемую лазерным излучением. В некоторых случаях керамика полностью растворялась в металле, формируя однородную структуру. В других ситуациях она оставалась отдельным фрагментом и не смешивалась с подложкой. Исследователям удалось найти оптимальный подход: керамические частицы теперь покрыты тонким слоем, сохраняющим их характеристики и обеспечивающим прочное соединение с основным материалом.
«С помощью электронного микроскопа мы выявили тонкий промежуточный слой, расположенный между титаном и керамикой. На изображениях атомы с большой массой отображаются светлыми, а легкие – темными, и эта прослойка визуально отличалась от обычно идентифицируемых соединений. В связи с этим был проведен специальный спектральный анализ (EDX). Полученные данные продемонстрировали высокое содержание титана, а также компонентов керамики – бора и углерода. Однако, поскольку точность этого метода ограничена, мы решили использовать альтернативный подход – дифракцию синхротронного излучения. Этот метод предполагает извлечение фрагмента образца и направление через него узкого пучка рентгеновского излучения, наблюдая за кольцами (так называемыми кольцами Дебая), которые формируются на детекторе при прохождении лучей через материал. По результатам этого анализа мы можем определить точную структуру вещества», — поясняет исследователь.
Сравнительный анализ экспериментальных данных и имеющихся баз позволил экспертам установить, что найденное вещество не соответствует известным соединениям. Дальнейшее изучение выявило, что подобная возможность ранее высказывалась академиком Геннадием Петровичем Швейкиным, одним из пионеров российского направления «химия твердого тела». Он предполагал возможность образования соединения на основе титана, бора и углерода.
Благодаря высокой устойчивости к механическим воздействиям, эксперты детально изучили кристаллическую структуру полученного образца. Кроме того, анализ химической базы данных выявил подобие с уже известным веществом, что окончательно подтвердило предположение: обнаруженная прослойка представляет собой уникальное трехкомпонентное соединение, выполняющее функцию защитного слоя.
Разработанный композитный материал представляется многообещающим решением для защиты различных элементов летательных аппаратов, подвергающихся трению или контакту с абразивными веществами, например, пылью или песком. Он особенно эффективен в тех случаях, когда необходима не только высокая устойчивость к износу, но и малый вес. Материал может применяться в качестве защитного слоя, увеличивающего долговечность наиболее критичных узлов конструкции.
«Мы полагаем, что полученные в ходе исследования данные способны изменить представление о механизмах формирования металлокерамики. Обнаружение интерфазной фазы в одной из исследованных систем позволяет предположить ее существование и в других близких системах. Это дает основания надеяться на прогресс в области управляемого синтеза композиционных материалов с заданными характеристиками. В настоящее время мы сосредоточены на подтверждении полученных результатов в системах, представляющих значительный интерес для промышленности. Полученные данные указывают на важную роль синхротронного излучения в решении задач материаловедения. Развитие соответствующих методик на станциях ЦКП СКИФ, вероятно, позволит не только углубить изучение сложных химических систем, но и создать основу для новых промышленных решений», — заключил Илья Герцель.
Данные результаты получены в ходе реализации совместного проекта, организованного Министерством науки и инноваций Российской Федерации и Сибирским отделением Российской академии наук в соответствии с соглашением № 075-15-2025-459. Проект посвящен научной разработке и формированию инфраструктуры, основанной на применении синхротронного излучения для диагностики материалов с функциональными градиентами».
Автор: Ирина Баранова
Материалы и фотографии предоставлены Управлением по продвижению и популяризации научных разработок СО РАН