КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-19-00109
НазваниеРазработка научно-технических основ получения металл-керамических ламинированных композитов Me/MAX из прекерамических бумаг и тугоплавких металлов с управляемой структурой и свойствами
РуководительКашкаров Егор Борисович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", Томская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2025 г. |
Конкурс№80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые словакомпозиты, ламинаты, слоистые структуры, МАХ фазы, механические свойства, коррозионная стойкость, теплофизические свойства, искровое плазменное спекание, ниобий, тантал, молибден
Код ГРНТИ55.09.43
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на разработку научных основ получения новых металл-керамических ламинированных композитов на основе МАХ-фаз и тугоплавких металлов (Me) с улучшенными прочностными характеристиками и высокой коррозионной стойкостью. Актуальность работы обусловлена развитием технологий в авиакосмической и транспортной промышленности, требующих создания новых материалов для деталей и узлов агрегатов, эксплуатируемых при высоких температурах, механических нагрузках и в условиях агрессивных сред. Большинство известных конструкционных материалов, в частности, металлических сплавов, исчерпало свои возможности с точки зрения обеспечения постоянно возрастающих требований к механическим характеристикам и коррозионной стойкости деталей. Материалы на основе МАХ-фаз, например, систем Ti-Si-C и Ti-Al-C, являются перспективными ввиду сочетания в них уникальных свойств металлов и керамики, таких как высокая прочность, малая плотность, высокая тепло- и электропроводность, высокая коррозионная стойкость, стойкость к термических ударам и механическая обрабатываемость. Одной из ключевых проблем разработки новых композитных материалов на основе МАХ-фаз, является их повышенная хрупкость при низких температурах. В настоящем проекте для улучшения физико-механических свойств и обеспечения хрупко-вязкого разрушения композитов предлагается новый подход, основанный на формировании многоуровневых структур, состоящих из слоев прекерамической бумаги и металлических фольг тугоплавких металлов, с последующим их спеканием. В свою очередь, применение технологии искрового плазменного спекания обеспечит высокоскоростной синтез плотных и высокопрочных композитов. В качестве исходных материалов будут использованы прекерамические бумаги с порошковым наполнителем из МАХ-фаз и фольги тугоплавких металлов (Nb, Ta, Mo), что открывает перспективы получения композитов с заданной структурой и свойствами. В рамках проекта впервые будут установлены механизмы реакционного взаимодействия слоев Me и MAX при искровом плазменном спекании ламинированных композитов Me/MAX, в том числе в случае барьерных слоев на поверхности металлов. Будет изучено влияние состава и архитектуры ламинированных композитов на их механические свойства и коррозионное поведение. Таким образом, в рамках проекта впервые будут установлены закономерности формирования, механизмы разрушения и высокотемпературной коррозии ламинированных композитов Me/MAX (Me=Nb, Ta, Mo; MAX = Ti-(Si,Al)-C) при искровом плазменном спекании. Будут разработаны рекомендации по формированию перспективных коррозионно-стойких и высокопрочных/трещиностойких ламинированных композитов Me/MAX.
Ожидаемые результаты
В рамках проекта планируется получение следующих основных результатов.
1. Закономерности искрового плазменного спекания ламинированных металл-керамических композитов Me/MAX (Me=Nb, Ta, Mo; MAX=Ti-Al-Si-C).
2. Механизмы реакционного взаимодействия слоев Me и MAX при искровом плазменном спекании ламинированных композитов Me/MAX, в том числе при использовании металлических фольг с барьерным поверхностным слоем. Феноменологическая модель формирования реакционных слоев на границе раздела Me/MAX при искровом плазменном спекании.
3. Закономерности влияния состава и архитектуры (укладки и толщины индивидуальных слоев) ламинированных композитов Me/MAX на их физико-механические свойства.
4. Механизмы разрушения и математическая модель деформационного поведения ламинированных композитов Ме/MAX.
5. Закономерности влияния состава ламинированных композитов Me/MAX на их коррозионную стойкость при высокотемпературном окислении на воздухе.
6. Механизмы окисления и межслойного взаимодействия ламинированных композитов Me/MAX при высокотемпературном окислении.
7. Рекомендации по формированию коррозионно-стойких и высокопрочных/трещиностойких ламинированных композитов Me/MAX с применением прекерамических бумаг и фольг тугоплавких металлов методом искрового плазменного спекания.
Полученные в рамках выполнения проекта результаты позволят создать новый класс перспективных ламинированных композитов Me/MAX для их потенциального применения в авиа-, космической и транспортной технике нового поколения. Результаты проекта внесут вклад в понимание процессов искрового плазменного спекания слоистых структур из прекерамических бумаг и металлических фольг для получения ламинированных композитов с улучшенными свойствами. Применение новых ламинированных материалов может существенно улучшить эксплуатационные характеристики агрегатов и изделий, работающих в широком диапазоне температур при высоких механических нагрузках и воздействии коррозионной среды. Результаты будут использованы для развития отечественных технологий производства материалов на основе МАХ-фаз. Полученные результаты проекта будут полностью соответствовать мировому уровню и будут опубликованы в высокорейтинговых профильных журналах, индексируемых в Scopus/WoS.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В отчетном периоде были разработаны и синтезированы металл-керамические композиты Nb/MAX, получаемые методом искрового плазменного спекания (ИПС) прекерамических бумаг на основе МАХ-фазы Ti3Al(Si)C2 (TAC) и металлических фольг из Nb. Впервые, проведены комплексные исследования реакционного взаимодействия на границе раздела металл/керамика, влиянии параметров ИПС и архитектуры формируемых композитов на их структурно-фазовое состояние, микроструктуру, коррозионную стойкость, механические и теплофизические свойства ламинированных композитов Nb/TAC. На основе анализа кинетических кривых спекания и анализа макроструктуры композитов были определены основные закономерности спекания композитов. Установлено, что усадка композитов определяется в основном вкладом от усадки прекерамических бумаг, которая составляет примерно 67 %. Продемонстрирована возможность получения композитов с различной толщиной индивидуальных слоев (архитектурой). Выявлены механизмы структурообразования и взаимной диффузии на границе раздела слоев ламинированных композитов. Верхний слой (вблизи керамики) реакционной зоны формируется преимущественно из неравноосных зерен силицидной фазы (Ti, Nb)5Si3Cx с включениями частиц оксида алюминия. Размер зерен силицидной фазы составил 0,6-1,8 мкм в ширину и 1,9-4,5 мкм в длину. Ниже силицидного слоя формируется интерметаллидный слой Nb2Al со столбчатой структурой. Атомы Si и Ti также диффундируют в металлический ниобиевый слой, образуя фазу силицида (Nb,Ti)5Si3 с размером не более 1,2 мкм. Показано, что формирование силицидной фазы происходит как на границах, так и внутри столбчатых зерен интерметаллидной фазы Nb2Al. Ввиду наличия примеси железа в керамическом слое, в столбчатых зернах интерметаллидного слоя наблюдалась граница раздела, ниже которой формируется фаза Nb(Fe,Al)2. Вблизи границы раздела со слоем ниобия формируется тонкий слой Nb3Al с включениями мелкодисперсных частиц карбидной фазы Nb2C. На основе полученных результатов предложен механизм формирования реакционного слоя.
Проанализировано влияние различных барьерных покрытий (Cr, Mo, YSZ, Cr/YSZ) на реакционное взаимодействие на границе металл/керамика. Покрытие на основе ZrO2-Y2O3 (YSZ) нанесенные на поверхность Nb могут эффективно подавлять рост реакционного слоя в процессе ИПС, однако, присутствующие локальные нарушения целостности покрытия при механической деформации слоев приводят к формированию локальных областей реакционного взаимодействия.
Определено, что средняя твердость керамических слоев составляет 13,7 ГПа, металлических слоев – 0,9 ГПа. Было установлено, что увеличение объемного содержания Nb (архитектура от 1/3 до 1/1) в ламинированных композитах приводит к снижению прочности на изгиб от 410 до 350 МПа, однако к существенному увеличению трещиностойкости от 6 до 10,2 МПа·м1/2. Работа разрушения для композита с архитектурой 1/1 составила 7,5 кДж/м2, для композита с архитектурой 1/3 – всего 2,1 кДж/м2. Фрактографические исследования показали комплексный механизм разрушения композитов, связанный с образованием многократных трещин в керамическом слое, пластической деформацией слоев Nb, множественным разветвлением трещин в реакционном слое, расслоением, отклонением направления распространения трещин в керамических слоях на основе МАХ-фазы. Расслоение в композитах преимущественно происходит вдоль границы реакционного слоя и керамического слоя. Предполагается, что основной причиной растрескивания реакционного слоя и частичного расслоения композитов является формирование хрупкого силицидного слоя. Анализ поверхностей разрушения показал значительное влияние толщины керамического слоя на формирование многократных трещин в ламинированных композитах. На основе расчетных данных и данных о реальной толщине керамического слоя в ламинированных композитах, была установлена критическая толщина керамического слоя (250 мкм).
Установлены закономерности высокотемпературного окисления на воздухе ламинированных композитов в диапазоне температур 800-1300 °С. Показана высокая стойкость к окислению композитов при температурах до 1100 °С, обусловленная формированием внешнего слоя TiO2 и внутреннего защитного оксидного слоя из α-Al2O3. Повышение температуры окисления до 1200 и 1300 °C приводит к образованию сложного многослойного оксидного слоя, состоящего из внешних слоев TiO2/Al2TiO5, прерывистого Al2O3 и пористого TiO2/SiO2/Al2TiO5.
Были определены теплофизические свойства ламинированных композитов и монолитных керамических композитов Nb/TAC. Было показано, что теплопроводность монотонно увеличивается с ростом температуры: от 15,1 до 18,1 Вт/м-К для TAC и от 16,2 до 20 Вт/м-К для композитов Nb/TAC. В температурном диапазоне 100-800 °С, металл-керамические композиты Nb/TAC демонстрируют более высокие значения теплопроводности по сравнению с образцами TAC. С увеличением температуры от 100 до 800 °C удельная теплоемкость для образцов TAC и Nb/TAC монотонно возрастает с 631 до 889 Дж/(кгК) и с 523 до 702 (Дж/кгК) соответственно. Температуропроводность уменьшается для композитов TAC во всем исследованном диапазоне температур, в то время как для Nb/TAC не изменяется при температуре выше 400 °C, что объясняется более медленным увеличением теплоемкости с ростом температуры для композитов Nb/TAC по сравнению с TAC.
Публикации
1. Абдульменова А.В., Кроткевич Д.Г., Кашкаров Е.Б., Пушилина Н.С., Травицкий Н. Микроструктура и механическое поведение ламинированных композитов Nb/Ti3Al(Si)C2 Тезисы докладов Международной конференции "Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии", с. 90-91 (год публикации - 2023)
2. Кашкаров Е.Б., Кроткевич Д.Г., Пушилина Н.С., Абдульменова А.В., Травицкий Н. Получение ламинированных композитных материалов на основе МАХ-фаз из прекерамических бумаг Сборник тезисов докладов 21-й Международной школы-конференции имени Б.А. Калина для молодых ученых и специалистов "Новые материалы: Перспективные технологии получения материалов и методы их исследования", с. 32 (год публикации - 2023)
3. Сыртанов М.С., Кашкаров Е.Б., Кроткевич Д.Г., Травицкий Н. Ламинированные Nb/Ti3Al(Si)C2-TiC композиты: анализ структурно-фазового состояния, механические свойства, in situ дифракционные исследования на источнике синхротронного излучения Материалы 15-й Международной конференции "Взаимодействие излучения с твердым телом", с. 444-448 (год публикации - 2023)
4. - Томский политех запустил комплекс оборудования для изготовления прекерамической бумаги Служба новостей ТПУ, Томский политех запустил комплекс оборудования для изготовления прекерамической бумаги //Служба новостей ТПУ, дата публикации 29.06.2023 г. (год публикации - )