Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе реализации работ в рамках проекта Российского научного фонда 21-79-10030 «Синтез высокоэнтропийных карбидов в плазме дугового разряда постоянного тока безвакуумным методом» под руководством к.т.н. Пак А.Я. впервые показана возможность синтеза высокоэнтропийного карбида состава TiZrNbHfTaC5 в условиях горения дугового разряда постоянного тока в открытой воздушной среде. Особенностью разрабатываемого метода является его реализация без применения вакуумного и газового оборудования с достижением условий формирования автономной самоэкранирующейся газовой среды процесса, предотвращающей окисление продуктов синтеза кислородом воздуха, что обеспечивает повышенную энергоэффективность процесса, позволяет упростить методику синтеза и конструкцию дугового реактора (https://nauka.tass.ru/nauka/12995769/amp). Разрабатываемый метод ввиду его простоты подходит для быстрого тестирования гипотез о возможности синтеза высокоэнтропийного карбида того или иного состава, что необходимо ввиду существования нескольких десятков теоретически предсказанных структур высокоэнтропийных карбидов, и теоретический поиск продолжается. Высокоэнтропийные карбиды представляют собой твердые растворы, содержащие одновременно атомы 4-5 переходных металлов и углерод, которые характеризуются высоким уровнем конфигурационной энтропии, что положительно сказывается на физико-механических свойствах материалов. Данные соединения представляют собой новый класс ультратугоплавких материалов. Ввиду большого количества возможных эквимолярных комбинаций сочетаний металлов требуется развитие простых энергоэффективных методов синтеза, пригодных для быстрого тестирования гипотез о возможности существования высокоэнтропийного карбида того или иного состава. Для решения данной проблемы в настоящем проекте предложен оригинальный безвакуумный электродуговой метод. В ходе реализации работ проведено математическое моделирование, результатом которого являются параметры распределения температурного поля дугового разряда при различной мощности и продолжительности поддержания дугового разряда в условиях заданной конфигурации электродов разрядного контура. В результате моделирования установлены (оценены) геометрические параметры электродов разрядного контура, и его режимы, обеспечивающие достижение условий синтеза карбидов переходных металлов и высокоэнтропийных карбидов. Также на данном этапе проекта проведен комплекс экспериментальных исследований, в рамках которых отработаны параметры процесса подготовки исходного сырья, его обработки в атмосферном дуговом реакторе для реализации синтеза карбидов титана, ванадия, циркония, ниобия, гафния и тантала. Проведены серии экспериментов, в ходе которых после оптимизационных мероприятий успешно были получены карбиды переходных металлов IV-V групп. В ходе работ установлена возможность получения кубической гранецентрированной структуры одновременно содержащей атомы титана, циркония, ниобия, гафния, тантала и углерода, параметры решетки которой соответствуют фазе TiZrNbHfTaC5. Формирование такой структуры возможно, согласно результатам экспериментальных исследований, при обработке исходного сырья, содержащего титан, цирконий, ниобий, гафний, тантал и углерод плазмой дугового разряда трижды в течение не менее 30 секунд при силе постоянного тока не менее 200 А (при использовании исходного сырья, помолотого в шаровой мельнице в течение не менее 6 часов). В сериях экспериментов также менялась масса исходного сырья, доля углерода в составе исходного сырья, тем не менее в продуктах синтеза наряду с фазами искомых карбидов присутствует значительная доля графита. Установлено, что в продуктах синтеза присутствуют микроразмерные и наноразмерные частицы. Наноразмерные частицы характеризуются структурой типа «оболочка – ядро», где ядро сформировано карбидом отдельного металла или высокоэнтропийным карбидом, а оболочка состоит из графита. Такое строение может быть объяснено разницей в температуре плавления материала оболочки и ядра. Полученные материалы проанализированы методом дифференциального термического анализа (помимо методов структурного анализа) с целью установления параметров процесса окисления при их нагревании в открытой воздушной среде – как одной из основных характеристик сверхтвердых тугоплавких материалов на основе карбидов металлов. Недостатком разработанного метода на данном этапе исследований является загрязнение продуктов синтеза эрозионным графитом, что является общей проблемой электродуговых методов синтеза материалов, в частности, при использовании графитовых электродов и синтезе карбидов металлов и неметаллов. Для ликвидации этого недостатка запланирована техническая модернизации конструкции дугового реактора для обеспечения доминирования искомых фаз карбидов отдельных переходных металлов IV-V групп и высокоэнтропийного карбида на последующих этапах проекта. На следующих этапах проекта будет реализован синтез карбидов переходных металлов, а также высокоэнтропийных карбидов различного химического состава с доминированием искомых фаз в продуктах синтеза и минимизацией доли эрозионного графита.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе реализации работ в рамках проекта Российского научного фонда 21-79-10030 «Синтез высокоэнтропийных карбидов в плазме дугового разряда постоянного тока безвакуумным методом» под руководством д.т.н. Пак А.Я. впервые экспериментально подтверждены теоретически определенные условия синтеза однофазного высокоэнтропийного карбида (ВЭК) TiZrNbHfTaC5 (https://news.tpu.ru/news/sintez-vysokoentropiynykh-karbidov-stal-effektivnee/), развивается уникальный отечественный безвакуумный электродуговой метод синтеза известных и гипотетических ВЭК. В отчетном периоде проведен анализ всех открытых научных статей, посвященных исследованию возможностей синтеза и исследования свойств ВЭК и составлен перечень синтезированных и гипотетических ВЭК, параметров их кристаллических решеток, подходов и режимов синтеза. Для обеспечения реализации синтеза искомых фаз ВЭК с минимизацией примесей в текущем отчетном периоде был ликвидирован главный известный недостаток электродугового метода (загрязнение продуктов синтеза продуктами эрозии анода). Техническое решение реализовано путем модернизации конструкции электродугового реактора, а именно, с помощью установки специальных экранов под отрицательным потенциалом в реакционной зоне, препятствующих попаданию эрозионного графита в продукты синтеза. В результате обеспечивается доминирование искомых фаз карбидов в продуктах синтеза, что видно по картинам рентгеновской дифракции синтезированных образцов. Техническое решение зарегистрировано в виде результата интеллектуальной деятельности. Проведены серии экспериментов, в ходе которых после оптимизационных мероприятий успешно были получены карбиды переходных металлов IV-V групп. Разрабатываемый безвакуумный электродуговой метод ввиду его простоты подходит для быстрого тестирования гипотез о возможности синтеза высокоэнтропийного карбида того или иного состава, что необходимо ввиду существования нескольких десятков теоретически предсказанных структур высокоэнтропийных карбидов, и теоретический поиск продолжается. В ходе реализации работ проведены серии экспериментов по получению высокоэнтропийных карбидов с эквимолярным соотношением исходных компонентов различного химического состава: TiNbHfTaC4, VNbHfTaC4, TiVNbHfC4, TiZrNbHfC4, VZrNbHfC4, TiVZrNbC4, VZrNbTaC4, TiVZrHfC4, ZrNbHfTaC4, TiVHfTaC4, VZrHfTaC4, TiZrHfTaC4, TiVNbTaC4, TiZrNbTaC4, TiVZrTaC4, TiVNbHfTaC5, VZrNbHfTaC5, TiVZrNbHfC5, TiVZrHfTaC5, TiVZrNbTaC5. Экспериментально определены параметры помола исходного сырья, а также электродуговой обработки, обеспечивающие формирование однофазного твердого раствора ВЭК. В результате при одинаковых исходных параметрах (помол 12 ч в вибрационной мельнице при частоте 30 Гц, последующая электродуговая обработка в течение 45-60 с при плотности потока энергии не менее ~22 Вт/мм2) формируется однофазный твердый раствор; таким образом в отчетном периоде разрабатываемым методом получены следующие ВЭК: TiNbHfTaC4, VNbHfTaC4, TiVNbHfC4, VZrNbTaC4, ZrNbHfTaC4, TiVHfTaC4, VZrHfTaC4, TiZrHfTaC4, TiVNbTaC4, TiZrNbTaC4, TiVNbHfTaC5, VZrNbHfTaC5, TiVZrNbTaC5. По результатам растровой и просвечивающей электронных микроскопий установлено наличие микро- и наноразмерных частиц, а также частиц типа «оболочка-ядро». Микронная фракция образцов представлена новообразованными частицами различной морфологии со скошенными гранями, характеризующимися наличием трещин в некоторых случаях. Элементный анализ показал присутствие в составе образцов атомов соответствующих металлов и углерода. Также идентифицировано наличие небольшого количества атомов кислорода, присутствующего ввиду сорбционных процессов синтезированных и исходных порошков. Полученные материалы проанализированы методом дифференциального термического анализа (помимо методов структурного анализа) с целью установления параметров процесса окисления при их нагревании в открытой воздушной среде – как одной из основных характеристик сверхтвердых тугоплавких материалов на основе карбидов металлов. На следующем этапе проекта будут получены ВЭК с неэквимолярным соотношением исходных компонентов различного химического состава (комбинации по 4-5 элементов из возможных шести Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta), в которых доминирует один из химических элементов; а также будет проведено спекание перспективных композиций с целью получения объемных керамических образцов новых материалов и изучения их свойств.