Ученые из Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН и Института химии ФИЦ «Коми научный центр УрО РАН» впервые в мире разработали керамический материал на основе MAX-фазы Ti₃SiC₂, содержащий цирконий. Этот материал обладает рекордной прочностью при повышенных температурах.
«Елена Иннокентьевна Истомина, кандидат химических наук и старший научный сотрудник Института химии Федерального исследовательского центра «Коми научный центр УрО РАН», в беседе с корреспондентом «Научной России» рассказала, что это материал на основе MAX-фазы, обладающий свойствами как керамики, так и металла. Он способен функционировать при высоких температурах и в агрессивных средах, при этом он легче, чем существующие аналоги.
С использованием вакуумного карбосиликотермического восстановления и последующего горячего прессования, специалистам удалось синтезировать и изучить твердые растворы (Ti₁₋ₓZrₓ)₃SiC₂ с различным содержанием циркония (x = 0,10 и 0,15). Как отметила Елена Истомина, особенностью применяемого метода являлось использование оксидов – оксида циркония и оксида титана – в качестве исходных веществ. В результате реакции карбосиликотермического восстановления был получен материал на основе MAX-фазы Ti₃SiC₂, содержащий цирконий в титановой подрешетке».
Испытания на прочность продемонстрировали, что добавление циркония существенно повысило характеристики материала. Ранее использование материалов на основе MAX-фаз было затруднено из-за их склонности к деформации и проявлению ползучести при высоких температурах, например, при 1200°C. Введение циркония в кристаллическую структуру увеличивает температуру, при которой материал переходит в пластическое состояние, — отметила исследовательница[ПИ1] .
Твердость материала увеличилась с 3,9 ГПа для чистого Ti₃SiC₂ до 6,8 ГПа при x = 0,15, а прочность на изгиб при комнатной температуре возросла с 314 до 487 МПа. Причем, увеличение содержания циркония положительно сказалось и на температурной стабильности: температура, при которой происходит переход от хрупкого к пластичному разрушению, повысилась до 1600°C. Даже при воздействии температуры 1600°C образец с максимальным содержанием циркония сохранил прочность на уровне 311 МПа (что составляет 64% от первоначального значения.
«Особенность нашей разработки заключается в том, что, несмотря на теоретическое предсказание, она не была реализована ранее. Как отметила Е.И. Истомина, нам удалось добиться беспрецедентной прочности на изгиб у материалов на основе MAX-фаз при температуре свыше 1200°C.
Новый материал демонстрирует лучшие комплексные механические характеристики по сравнению с традиционными MAX-фазами при температурах, превышающих 1200°C. Он представляет интерес для использования в качестве деталей газотурбинных двигателей, например, в огнеупорных облицовках камер сгорания, лопатках и направляющих аппаратах, где необходимо сочетание жаропрочности, термостойкости и ресурса.
Установлено, что легирование цирконием позволяет существенно увеличить предел рабочих температур MAX-фаз и сохранить их механические характеристики при экстремальных условиях. Это открывает возможности для разработки новых поколений высокотемпературных керамических материалов, предназначенных для использования в энергетике, транспорте, аэрокосмической и оборонной промышленности.
Новость создана при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации
Фотография, размещенная на странице, предоставлена пресс-службой ИМЕТ РАН