Специалисты Томского политехнического университета совместно с зарубежными коллегами детально изучили поведение многослойного металлокерамического композита в условиях высокотемпературного окисления, зафиксировав каждую стадию процесса. Результаты показали: такие материалы демонстрируют высокую коррозионную стойкость на протяжении 12 часов при 1200 °С.
Анна Абрамова
Источник фото: пресс-служба Томского политехнического университета
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (№ 23‑19‑00109‑П), а его результаты опубликованы в журнале Corrosion Science (Q1, IF: 10,3).
Зачем нужны новые материалы
Для современной авиации, ракетостроения и энергетики критически важны материалы, способные выдерживать экстремальный нагрев и серьёзные механические нагрузки. Перспективным решением считаются керамики на основе MAX-фаз: они успешно противостоят тепловым ударам и обладают неплохой стойкостью к окислению. Однако при комнатной температуре такие материалы хрупки. Для устранения этого недостатка керамику армируют тугоплавкими металлами — например, молибденом, — создавая многослойные ламинаты. Проблема в том, что при высоких температурах металлические слои интенсивно окисляются и разрушаются. До сих пор поведение внутренних металлических прослоек и переходных зон «керамика — металл» при реальном высокотемпературном окислении оставалось белым пятном для науки.
Как проводили эксперименты
Коллектив ТПУ в составе международной группы испытал ламинаты слоистой архитектуры, изготовленные из прекерамической бумаги и молибденовой фольги. Образцы получали методом искрового плазменного спекания с точным контролем толщины слоёв и прочности сцепления на границах. Окисление проходило в два этапа: сначала в диапазоне 900–1300 °С в течение 5 часов, затем — изотермическая выдержка при 1200 °С на протяжении десятков часов. Параллельно с помощью in situ синхротронной рентгеновской дифракции учёные в режиме реального времени отслеживали фазовые превращения внутри материала.
«Эксперименты продемонстрировали, что ламинированные композиты сохраняют высокую коррозионную стойкость в течение 12 часов при 1200 °С. Мы смогли установить точные температурно-временные границы применения ламинированных композитов и раскрыть механизм их окисления. Эти сведения позволят выработать конкретные инженерные решения для увеличения ресурса композитов, например за счёт изменения архитектуры керамических и металлических слоёв», — поясняет один из авторов работы, научный сотрудник лаборатории перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем ТПУ Максим Сыртанов.
Как ведёт себя материал при разных температурах
При 800–1000 °C ламинаты демонстрируют высокую устойчивость к окислению: на поверхности формируется плотная защитная плёнка оксида алюминия, надёжно блокирующая доступ кислорода вглубь материала. При нагреве до 1100 °C защитный слой местами разрушается, и возникают смешанные зоны оксидов титана и алюминия.
При 1200 °C в зоне контакта молибдена и керамики образуются летучие оксиды молибдена и сложный оксид молибдата алюминия. По словам учёных, окисление усиливается после 12 часов, а через 96 часов композит разрушается частично.
Практические перспективы
В дальнейшем полученные данные могут лечь в основу создания конструкционных узлов двигателей нового поколения и аэрокосмической техники.
Участники исследования
В работе приняли участие специалисты лаборатории перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем Инженерной школы ядерных технологий Томского политеха, Центра коллективного пользования «СКИФ» и Университета Фридриха-Александра Эрланген-Нюрнберга (Германия).
Как наука о композитах выходит в практическую плоскость, помогает заранее оценить свойства деталей и предотвратить аварии в авиации — читайте на страницах журнала «Химагрегаты». А ещё представляем вашему вниманию новую статью — о бактерии, способной добывать металлы в экстремальных условиях.
