Специалисты из Томского политехнического университета (ТПУ) разработали инновационную конструкцию многослойных покрытий для компонентов термоядерных реакторов. Новые покрытия характеризуются улучшенной устойчивостью к высоким температурам и обладают уникальной способностью к «самовосстановлению» в сложных условиях, что может существенно продлить срок эксплуатации важнейшего оборудования.
Исследование, проведенное в рамках государственного задания и опубликованное в уважаемом журнале Journal of Materials Science, нацелено на решение важной задачи. Современные наноламинатные покрытия, обладая достаточной прочностью и устойчивостью к коррозии и радиации, не всегда обеспечивают требуемую надежность при одновременном воздействии высоких температур и облучения.
Сотрудники ТПУ разработали инновационный метод, основанный на создании функционально-градиентного материала, состоящего из чередующихся слоев ниобия и циркония. Данная архитектура, в отличие от традиционных наноламинатов, характеризуется тщательно рассчитанной постепенностью изменения каждого слоя и обеспечивает не только повышенную термическую стабильность, но и возможность контроля над дефектами. Новое решение позволяет направлять возникающие повреждения в специально отведенные активные области, где происходит их «самовосстановление», в то время как в обычных структурах эти области могут не соответствовать местам возникновения дефектов.
По мнению Романа Сергеевича Лаптева, и.о. руководителя отделения экспериментальной физики ТПУ, данная работа является частью масштабного и продолжительного исследования. «Фактически, она началась еще около пяти лет назад. Мы изучали, как многослойные структуры, состоящие из чередующихся материалов, ведут себя под воздействием излучения. Полученные результаты оказались обнадеживающими, и мы пришли к выводу, что на основе этого эффекта возможно создание более совершенной структуры, в которой каждый функциональный слой будет выполнять определенную задачу. Именно поэтому была разработана такая комплексная система, состоящая из трех основных элементов. Суть подхода заключается в локальном повышении радиационной стойкости материала в требуемой области. При этом система была спроектирована не для конкретного термоядерного реактора, а для демонстрации самой идеи».
Чтобы продемонстрировать результативность технологии, исследователи провели масштабный эксперимент, наблюдая за изменениями в поведении покрытия при нагревании до 900°C. Важной частью исследования стало использование специально разработанных в ТПУ уникальных методик, позволяющих проводить измерения в реальном времени.
«Используя измерения, проведенные во время процесса, мы продемонстрировали принцип действия материала и его способность к самовосстановлению дефектов. Для анализа были применены два подхода: рентгеновская дифракция и позитронная спектроскопия. Полученные данные оказались весьма обнадеживающими – при повышении температуры наблюдалась стабилизация накопления термических вакансий, а снижение их концентрации при охлаждении указывало на повышенную кинетику. Это свидетельствует о том, что в неравновесном состоянии дефекты не накапливаются, а мигрируют к интерфейсам и границам раздела, где происходит их аннигиляция», – рассказал корреспонденту «Научной России» Р.С. Лаптев.
Анализ, выполненный с использованием стандартных методов рентгеновской дифракции и электронной микроскопии, продемонстрировал, что покрытие сохраняет целостность своей многослойной структуры даже при воздействии высоких температур. Важным открытием стала возможность обратимости фазовых изменений, благодаря чему материал способен переносить множество циклов нагрева и охлаждения, не теряя значительной части своих характеристик. Специалист отметил, что такая обратимость играет решающую роль в оценке срока службы покрытий при работе в условиях эксплуатации термоядерных реакторов.