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 проекта 23-19-00657
НазваниеИсследование закономерностей смачивания, растекания и пропитки расплавами на основе серебра и меди в новом классе слоистых материалов на основе MAX фаз в системах (Cr, Mn, V)-Al-C
Руководитель Жевненко Сергей Николаевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва
Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-203 - Фазовые равновесия и превращения
Ключевые слова расплавы, медь, серебро, смачивание, растекание, пропитка, MAX фаза, (Cr, Mn, V)-Al-C
Код ГРНТИ29.19.16
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Поиск новых материалов с "необычным" сочетанием свойств и разработка методов создания конструкций с их использованием является важной фундаментальной и практической задачей. Материалы из нового класса соединений, называемых MAX фазы, сочетают в себе высокую тепло- и электропроводность, коррозионную стойкость, выдерживают термоудары и имеют низкий коэффициент термического расширения. MAX фазы систем (Cr, Mn, V)-Al-C являются одними из наиболее перспективных и активно исследуемых, при этом, поверхностные явления в этих фазах не изучены. В проекте предлагается изучить фундаментальные основы смачивания, растекания и пропитки MAX фаз систем (Cr, Mn, V)-Al-C расплавами на основе меди и серебра путем прямых измерений кинетики растекания, кинетики установления контактных углов смачивания на сплошных поверхностях и скорости пропитки пористых образцов. Исследование химического перераспределения компонентов между MAX фазами и расплавами, структурные и фазовые изменения в процессе смачивания и пропитки также явятся целью проекта. Помимо фундаментальных параметров взаимодействия твердых и жидких фаз, в проекте предполагается поиск поверхностно-активных компонентов расплава для уменьшения контактных углов смачивания и улучшения условий смачивания и пропитки. Это играет ключевую роль при создании композиционных материалов и конструкций методами капиллярного пропитывания и пайки
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Жевненко С.Н., Горшенков М.В. КАПИЛЛЯРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАСПЛАВА МЕДИ С ПЛОТНОЙ И ПОРИСТОЙ МАХ-ФАЗОЙ (Cr,Mn)2AlC Физика металлов и металловедение, № 2, т. 125 (год публикации - 2024)
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В работе изучалось взаимодействие расплавов двухкомпонентной системы Al-Cu и галлия с МАХ - фазами Cr2AlC и (Cr1-xMnx)2AlC при температурах до 1200 оС. МАХ-фазы были синтезированы методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Наблюдение за поведением капли расплава на поверхности пористых прессованных заготовок из МАХ-фаз производили с помощью скоростной видео и термовизионных камер. Эксперименты были выполнены в вакууме 10-3 Па. Порошки МАХ фазы получали путем размола, очистки в соляной кислоте и просеивания. Из порошка изготавливались пористые заготовки путем прессования при комнатной температуре.
В работе показано, что расплав чистого алюминия при высоких температурах равномерно растворяет МАХ фазу, не смачивая ее и не впитываясь в пористое пространство. Взаимодействие с расплавом расплава чистой меди приводит к распаду МАХ фаз и образованию жесткого каркаса из карбида хрома, пропитанного бронзой Cu(Al,Cr). Варьируя содержание алюминия в меди, можно предотвратить полный распад МАХ-фазы, при этом произвести пропитку и спайку порошка MAX-фазы, получив механически прочный материал. Наряду со смачиванием в работе измерялась кинетика пропитывания расплавом Al-30ат%Cu МАХ-фазы и оценена энергия активации этого процесса. Галлий не приводит к полному распаду МАХ-фаз при контакте, при этом впитывается при температуре выше 1195 оС. Взаимодействие с Cr2AlC сводится к растворению галлия путем частичного замещения алюминия. Исследовали взаимодействие двухкомпонентных расплавов Al, Al+2ат%Cu, Al+17 ат%Cu, Al+33 ат%Cu, Cu 17 ат%Al и чистой меди с (Cr0.95Mn0.05)2AlC и Cr2AlC в интервале температур 1030 - 1150 оС при нагреве.
Показали, что переход от чистого алюминия к чистой меди сопровождается изменением характера взаимодействия: от исключительно растворения МАХ-фазы в чистом алюминии к ее распаду в контакте с чистой медью и образованию композиционного материала «бронза-карбид хрома». Двухкомпонентные расплавы высокой концентрации Al+17 ат%Cu, Al+33 ат%Cu, Cu 17 ат%Al в основном пропитывают пористую (Cr0.95Mn0.05)2AlC, скрепляя порошок. Вблизи контактной поверхности расплавы растворяют МАХ-фазу и в расплаве образуется карбид алюминия. По изменению объема капли на поверхности от времени была определена скорость движения фронта расплава Al+33 ат%Cu внутри пористой (Cr0.95Mn0.05)2AlC при двух температурах. Она оказалась равной 0,08 мм/с при 1050 оС и 0,21 мм/с при 1130 оС.
Измерения микротвердости в пропитанной Al+33 ат%Cu пористой (Cr0.95Mn0.05)2AlC и распавшейся в контакте с расплавом меди МАХ-фазе показали небольшое увеличение механических свойств в первом случае и сильное увеличение твердости во втором. Результаты работы позволяют сделать рекомендации по пропитке расплавом Al+33 ат%Cu порошков (Cr0.95Mn0.05)2AlC и Cr2AlC для создания композиционного материала, в котором необходимо сохранить МАХ-фазы. Обнаружен метод получения металломатричного композита, упрочненного субмикронным каркасом карбида хрома из МАХ-фаз в качестве прекурсора. Контроль кинетики распада при пропитке, изменение состава расплавов позволяют создавать износостойкий, коррозионостойкий проводящий материал.
Изучали поведение капель чистого галлия объемом около 9 и 42 мкл на поверхности пористой (20%) МАХ-фазы Cr2AlC при нагревании до температуры 1200 °C в условиях высокого вакуума. При указанной температуре галлий начинает интенсивно взаимодействовать с МАХ-фазой, растекаясь по ней и поглощаясь в течение десятых долей секунды. Анализ микроструктуры и состава поперечного сечения после поглощения и охлаждения свидетельствует о растворении галлия в Cr2AlC, в результате чего образуется Cr2(Al1-xGax)C (с максимумом x = 0,20). Определены скорость фильтрации, температура перехода «несмачивание-смачивание», углы контакта и характер термических процессов. В результате пропитки пористый Cr2(Al1-xGax)C проявил повышенную механическую прочность. Структурные и композиционные исследования проводились с использованием методов рентгеновской дифракции, сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии.
Был отработан методика СВС синтеза МАХ-фазы V2AlC для проведения исследований следующего этапа.
Публикации
1. Жевненко С.Н., Чернышихин С.В., Петров И.С., Хайруллин А.Х. ВОЛЬФРАМОВЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ C ЭКРАНАМИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Роспатент (год публикации - 2025)
2. Жевненко С.Н. Получение МАХ-фаз Cr2(Al,Ga)C и применение их в качестве прекурсоров создания композиционных материалов НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ: Перспективные технологии и методы исследования материалов Сборник тезисов докладов 22-й Международной школы-конференции имени Б.А. Калина для молодых ученых и специалистов (год публикации - 2024)
3. Горшков В.А., Жевненко С.Н. Высокотемпературный синтез MAX- фаз (Cr1-xMnx)2AlC и исследование механизма их взаимодействия с расплавами системы медь-алюминий Современная химическая физика XXXVI Симпозиум, Сборник тезисов (год публикации - 2024)
4.
Жевненко С.Н., Горшенков М.В.
Wetting and imbibition Cr2AlC by liquid Ga: Partial substitution of aluminum by gallium in the MAX phase
Materials Letters (год публикации - 2024)
10.1016/j.matlet.2024.137933
5. Жевненко С.Н., Горшенков М.В. Капиллярный метод синтеза наноразмер ных MAX фаз на основе Cr2GaC Сборник тезисов XIII Всероссийской конференции с международным участием " Химия твёрдого тела и функциональные материалы (год публикации - 2024)
6. Горшков В.А., Горшенков М.В., Жевненко С.Н. СВС синтез МАХ-фаз (Cr1-xMnx)2AlC и формирование структуры кермета высокой твердости при их капиллярном взаимодействии с расплавами меди ФИЗИЧЕСКАЯ МЕЗОМЕХАНИКА (год публикации - 2025)
7. Горшков В.А., Жевненко С.Н. SHS of MAX phases based on (Cr1-xMnx)2AlC and a capillary interaction with copper melts Book of Abstracts XVI International Symposium on Self-propagating High-temperature Synthesis (год публикации - 2024)
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Развитие исследований и применений новых материалов, таких как MAX-фазы (соединения, сочетающие свойства керамик и металлов), требует разработки технологий их интеграции в конструкции. Ключевой задачей является изучение процессов пайки, сварки и пропитки, при которых в зоне контакта формируются поверхности, фазы, обеспечивающие высокую адгезию. Настоящая работа была посвящена систематическому исследованию капиллярного взаимодействия (смачивания и впитывания) различных расплавов с MAX-фазами (Cr₂AlC, V₂AlC, Ti₂AlN) при высоких температурах. Целью являлось понимание механизмов взаимодействия, оценка стабильности фаз и определение перспективных металлических связок для создания композитных материалов. При проведении исследований был реализован комплексный методический подход: а) отработаны методы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для получения MAX-фаз (Cr₂AlC, (Cr,Mn)₂AlC, V₂AlC) и последующей химической очистки. Были подготовлены как сплошные, так и пористые образцы различных МАХ-фаз для изучения смачивания, растекания и пропитки; б) разработаны и применены уникальные методики прямого высокоскоростного наблюдения растекания и пропитки. Использование синхронизированных высокоскоростных видео- и термовизионных камер в сочетании со специальными нагревательными элементами позволило в реальном времени фиксировать динамику смачивания, впитывания и тепловые эффекты с миллисекундным разрешением. Проведённые эксперименты выявили несколько механизмов взаимодействия, существенно зависящих от состава как MAX-фазы, так и расплава.
Реакционный распад: Установлено, что фазы V₂AlC и Cr₂AlC нестабильны в контакте с расплавом чистой меди при температурах 1120–1260°C. Происходит реакционное разложение: алюминий выходит из кристаллической решётки MAX-фазы и переходит в расплав, что приводит к образованию карбидов (V₂C или CrₓCᵧ) и слоистых или каркасных структур.
Образование барьерного слоя: В системе Ti₂AlN-Cu взаимодействие также приводит к разложению фазы, но с образованием плотного барьерного слоя нитрида титана (TiN) на границе раздела, который существенно снижает дальнейшую кинетику процесса.
Образование твёрдого раствора: Обнаружен принципиально иной механизм для системы Cr₂AlC-Ga. В этом случае не происходит разрушения основной фазы. Вместо этого наблюдается активное растворение галлия в МАХ-фазе с образованием твёрдого раствора Cr₂(Al₁₋ₓGaₓ)C.
Показано, что чистая медь характеризуется крайне плохим смачиванием плотного Cr₂AlC (контактный угол ~160°). Однако в пористых образцах возможна интенсивная пропитка (до 12.8 мм/с для V₂AlC), движущей силой которой является локальное изменение состава расплава на фронте из-за химической реакции. Выявлен синергетический эффект от добавки галлия к меди. Расплав Cu-20 ат.% Ga демонстрирует оптимальное сочетание свойств: резкое улучшение смачивания (контактный угол ~40°) и рекордно высокую скорость капиллярного впитывания в пористый Cr₂AlC (~11.5 мм/с при 1200°C). При этом для V₂AlC такая добавка замедляет, хотя и не предотвращает полностью, процесс реакционного распада. Скорость впитывания в систему «плотный Ti₂AlN-Cu» имеет энергию активации ~95 кДж/моль, увеличиваясь с температурой от 0.34 мм/с (1085°C) до 0.66 мм/с (1200°C). Установлено, что в результате взаимодействия формируются сложные композиционные зоны с уникальными свойствами, а именно, при взаимодействии Cu с Cr₂AlC образуется реакционная зона, в которой формируется субмикронный каркас из карбида хрома, пропитанный сплавом Cu(Al,Cr). Эта зона обладает высокой микротвердостью, характерной для керамик. Зона взаимодействия Ti₂AlN с Cu, содержащая частицы TiN в медной матрице, также обладает повышенной микротвёрдостью ~2.1 ГПа в сравнении с медными сплавами. С помощью термовизионной съёмки непосредственно доказано, что процесс разложения Cr₂AlC, т.е. выход алюминия из решетки, является эндотермическим.
На основании комплекса проведённых исследований сделан ряд фундаментальных и прикладных выводов, в частности:
1. Капиллярное взаимодействие расплавов с MAX-фазами в изученных системах носит преимущественно химически реакционный характер. Кинетика пропитки напрямую коррелирует с контактными углами смачивания, скоростью формирования реакционной зоны на фронте проникновения.
2. Слоистая структура MAX-фаз предопределяет анизотропию их распада под действием расплавов и влияет на формирующуюся структуру металл-керамика.
3. Наиболее перспективной стратегией для эффективной пропитки и создания металл-керамических композитов на основе MAX-фаз (в частности, Cr₂AlC и V₂AlC) является использование медно-галлиевых расплавов (например, Cu-20 ат.% Ga). Данные расплавы обеспечивают баланс хорошего смачивания, высокой скорости капиллярного впитывания и сниженной по сравнению с чистой медью деструктивности воздействия на MAX-фазу.
Публикации
1.
Жевненко С.Н., Горшков В.А.
Капиллярное взаимодействие расплава меди с МАХ-фазой V2AlC
Сборник тезисов IV Международной конференции «Физика конденсированных состояний» ФКС-2025, Россия, Черноголовка (год публикации - 2025)
10.24412/cl-37349-FKS-4.10
2. Жевненко С.Н. Materials science in a drop Тезисы VII Международной школы-конференции «Перспективные многокомпонентные („высокоэнтропийные“) материалы» (год публикации - 2025)
3.
Жевненко С.Н., Студеникин И.А., Кондаков А.А.
Capillary interaction of copper melt with MAX-phase Ti2AlN
Composite Interfaces (год публикации - 2025)
10.1080/09276440.2025.2556599
4.
Жевненко С.Н., Горшенков М.В., Горшков В.А.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАСПЛАВОВ СИСТЕМЫ Cu-Al С МАХ-ФАЗАМИ (Cr1-XMnX)2AlC: СМАЧИВАНИЕ, ПРОПИТКА И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
Сборник тезисов IV Международной конференции «Физика конденсированных состояний» ФКС-2025, Россия, Черноголовка (год публикации - 2025)
10.24412/cl-37349-FKS-4.08
5. Жевненко С.Н. ФОРМИРОВАНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР ТИПА КЕРМЕТ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ РАСПАДЕ МАХ-ФАЗ В ПРОЦЕССЕ КАПИЛЛЯРНОГО, РЕАКТИВНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С РАПЛАВОМ МЕДИ Сборник тезисов докладов 23 Международной школы-конференции «НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ: Перспективные технологии и методы исследования материалов» (год публикации - 2025)
6.
Жевненко С.Н., Горшенков М.В., Горшков В.А.
Interaction of Cu-Al melts with Cr2AlC and (Cr0.95Mn0.05)2AlC MAX-phases
Capillarity (год публикации - 2025)
10.46690/capi.2025.05.02
7.
Жевненко С.Н., Горшков В.А., Петров И.С.
Decomposition of V2AlC MAX phase under the action of copper and copper‑gallium melts
Materials Letters (год публикации - 2025)
10.1016/j.matlet.2025.139709
8.
Суворова В.С., Федоренко Л.В., Жевненко С.Н., Зотов Б.О., Егоров В.Ю., Жеребцов Д.Д., Суворов Д.С., Хайдаров Б.Б., Котякова К.Ю., Непапушев А.А., Ковалев И.А., Московских Д.О., Чернышихин С.В.
Laser powder bed fusion of AlN and ZrN reinforced AlSi10Mg matrix composites: Effect of wettability and volume fraction on microstructure and mechanical properties
International Journal of Lightweight Materials and Manufacture (год публикации - 2025)
10.1016/j.ijlmm.2025.04.002
9. Жевненко С.Н., Петров И.С. Прямые методы изучения высокотемпературной пропитки с помощью скоростной съемки капиллярного взаимодействия расплава с пористым телом на примере системы «расплав серебра-железо» Физическая мезомеханика (год публикации - 2025)
Возможность практического использования результатов
Развитие подходов и методов, сформулированных в проекте, открывает путь к получению металло-керамических материалов с высокой коррозионной стойкостью, твердостью и электропроводностью