Электродуговые плазменные методы позволяют быстро достичь высоких температур, а потому рассматриваются как перспективные подходы к получению высокоэнтропийных карбидов. Чтобы выяснить, при каком именно нагреве получится однофазный материал, сотрудники Томского политехнического университета, Сколковского института науки и технологий и Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н.И. Пирогова решили использовать машинное обучение.
Сначала авторы оценили полную энергию решетки из атомов углерода и металлов (в данной работе — титана, циркония, ниобия, гафния и тантала) в разных положениях. Для описания межатомных взаимодействий использовали одну из разновидностей машиннообучаемых потенциалов межатомного взаимодействия (low-rank potentials) на наборе значений энергий различных конфигураций (расположения атомов металла в структуре), полученных методом теории функционала электронной плотности. Далее исследователи рассчитали, структуры с каким распределением металлических атомов в структуре карбида будут энергетически выгодны, а значит, и с большей долей вероятности образуются в диапазоне температур от 227 до 1727°C.
В результате авторы смогли выяснить, какие фазы при каких температурах формируются в системе (Ti, Zr, Nb, Hf, Ta)C. Проведенные эксперименты по синтезу этого карбида методом безвакуумного электродугового плазменного спекания показали, что при минимальной температуре материал распадается на несколько фаз, вероятно, из-за разной скорости диффузии металлов. Затем, по мере увеличения нагрева, все больший вклад вносят энтропийные процессы, свыше 927°C однородность структуры возрастает и при максимальной изученной температуре уже происходит образование однофазного карбида. Авторы подтвердили свои расчеты, изучив рентгенограммы экспериментальных материалов.
«Мы также представили рекомендации по синтезу однофазных высокоэнтропийных карбидов при помощи электродуговых плазменных методов. Надеемся, что наши модели помогут коллегам получать такие важные для науки и промышленности материалы. Они также позволят разработать новые системы на основе нитридов и боридов переходных металлов — популярных компонентов высокотемпературных керамик», — рассказывает Александр Квашнин, доктор физико-математических наук, старший преподаватель Сколтеха.
