Разработка аморфно-кристаллических композиционных материалов металлооксидных систем высокоэнтропийного характера для перспективных энергоустановок

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 23-23-00034

НазваниеРазработка аморфно-кристаллических композиционных материалов металлооксидных систем высокоэнтропийного характера для перспективных энергоустановок

Руководитель Агуреев Леонид Евгеньевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша" , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-202 - Химия твердого тела, механохимия

Ключевые слова керметные порошковые композиты, высокоэнтропийные материалы, наночастицы, порошковая металлургия, холодное изостатическое прессование, искровое плазменное спекание

Код ГРНТИ53.39.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Повышение ресурса работы и увеличение надёжности и износостойкости компонентов энергетических турбин, насосов, двигателей внутреннего сгорания, шахтного оборудования, перспективных жидкостных и ядерных ракетных двигателей связано с разработкой новых жаропрочных композиционных материалов, в т.ч. керметных, улучшение которых возможно с применением различного рода наночастиц. В последние годы всё большее внимание получили работы в области высокоэнтропийных и многокомпонентных сложнолегированных сплавов, обладающих удельной прочностью сопоставимой и даже более высокой, чем у никелевых суперсплавов. Совсем на раннем уровне развития разработок находятся многокомпонентные высокоэнтропийные керамики, создаваемые по тем же принципам, что и одноимённые сплавы, и также обладающие высокой жаропрочностью, жаростойкостью и низким удельным весом. Следующей стадией "эволюции" композитов может стать разработка и применение керметов на основе озвученных материалов, что позволит значительно повысить удельную прочность и функциональные свойства таких изделий из них, как реактивные или энергетические турбины, работающие в различных агрессивных условиях (высокая частота оборотов до 60000 об/мин, высокие температуры 1000-1700 град Ц., окислительные среды, радиационное воздействие и т.п.). Такой подход может дать существенный качественный скачок в разработке многоразовых космических энергетических модулей, микроэлектростанций, самолётов и др. Проект посвящен актуальной научно-технологической задаче по разработке и исследованию неравновесных наноструктурированных материалов высокоэнтропийного характера, сочетающих металлическую (Ni, Al, Co,Ti, Zr, Mo, Cr, Re) и оксидную составляющие (Al2O3, TiO2, Dy2O3) , обладающие повышенными прочностными и функциональными свойствами в сравнении с традиционными никелевыми сплавами, применяемыми в энергетических установках различного типа.Тугоплавкие наночастицы (MgAl2O4) в ультрамалых концентрациях будут способствовать дисперсному упрочнению композитов. Порошковая металлургия позволяет создавать уникальные по свойствам композиционные материалы равномерные по составу и структуре. Разработке нового керметного материала поможет применение микромеханической модели на основе градиентной теории упругости, позволяющей прогнозировать механические свойства материала и проектировать его составы. Актуальность работы определяется потребностью энергетической, автомобильной, горнодобывающей и ракетно-космической отраслей в новых жаропрочных материалах, позволяющих повышать эффективность работы турбин и прочих компонентов техники, работающих в условиях высоких температур и агрессивных сред, а также подвергающихся интенсивному физическому изнашиванию. Научная новизна состоит в исследовании закономерностей влияния состава, параметров технологии получения и ввода ультрамалых концентраций тугоплавких наночастиц (менее 0.1%) на физические, механические и функциональные свойства керметных многокомпонентных материалов. Объяснение природы данных материалов с позиций градиентных теорий термоупругости расширит представления о механизмах упрочнения. Основными задачами проекта являются: 1. Разработка состава материала, режимов смешения и спекания для обеспечения высоких механических (прочность до 1400 МПа при н.у.) и функциональных характеристик (жаропрочность до 200 МПа при 1200 град. Ц). 2. Выявление закономерностей влияния состава материала на микроструктуру и характеристики. 3. Исследование фазовых превращений при термообработке в зависимости от состава кермета. 4. Получение аморфно-кристаллической структуры материала.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Агуреев Л.Е., Савушкина С.В., Лаптев И.Н., Данилина Е.А., Иванова С.Д., Ашмарин А.А. Упрочнение никеля малыми количествами наночастиц SiC Металлы, 2 (год публикации - 2024)
10.31857/S0869573324028192

2. Агуреев Л.Е., Савушкина С.В., Данилина Е.А., Иванов А.В., Иванова С.Д. Экстремальное повышение прочности никеля при дисперсном упрочнении НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ Сборник тезисов докладов 21-й Международной школы-конференции имени Б.А. Калина для молодых ученых и специалистов. Москва, 2023, стр. 97-98 (год публикации - 2023)

3. Агуреев Л.Е., Савушкина С.В., Данилина Е.А., Иванов А.В., Иванова С.Д. Исследование структуры и свойств композита на основе системы NiAl-CrMoCoV НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ Сборник тезисов докладов 21-й Международной школы-конференции имени Б.А. Калина для молодых ученых и специалистов. Москва, 2023, Стр. 98-99 (год публикации - 2023)

4. Агуреев Л.Е., Савушкина С.В., Иванов А.В., Гарибашвили С.А. Влияние наночастиц алюмомагниевой шпинели на механические характеристики материала на основе алюминида никеля Быстрозакалённые материалы и покрытия. Материалы XX-й Международной научно-технической конференции. 17-18 октября 2023 г., стр. 218-222 (год публикации - 2023)

5. Агуреев Л.Е., Савушкина С.В., Иванов А.В., Гарибашвили С.А. Исследование микроструктуры и состава многослойного композиционного материала NiAl-сплав / Ni / Re—Mo Электрометаллургия, № 2, 2025 (год публикации - 2025)
10.31044/1684-5781-2025-0-2-2-10

6. Агуреев Л.Е., Савушкина С.В., Данилина Е.А., Иванов А.В., Иванова С.Д. Новые многослойные композиты для перспективных энергетических установок 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)

7. Агуреев Л.Е., Савушкина С.В., Белов Г.В. Термодинамический анализ системы NiAl-CrMoCoV с помощью современных про-граммных средств 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, 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 Москва, 15 – 17 октября 2024 г., с. 191-192 (год публикации - 2024)

8. Агуреев Л.Е., Савушкина С.В., Лаптев И.Н., Данилиной Е.А., Иванова С.Д. Получение и исследование структуры и свойств спеченного композиционного материала эквиатомной системы NiAl-CrMoCoV Электрометаллургия, 4, с. 12-19 (год публикации - 2024)
10.31044/1684-5781-2024-0-4-12-19

9. Агуреев Л.Е., Савушкина С.В., Ашмарин А.А., Данилина Е.А., Иванов А.В., Иванова С.Д., Гарибашвили С.А. Разработка и исследование керметов на основе системы NiAl-Al2O3, модифицированных наночастицами MgAl2O4 и микрочастицами Y2O3 Перспективные материалы (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Проведено исследование коэффициентов трения образцов 172(Mv = NiAlCrMoCoV), 367(Mv//Ni//Mre//71(TiO2+Dy2O3-9Ni) и 368(Mv//Ni//Mre//(71 (TiO2+Dy2O3+5Al2O3+0,1MgAl2O4) - 9(91Ni+9Mo))). Образец 172 с низким коэффициентом трения обладает высокой однородностью структуры и отсутствием межфазных границ, что обеспечивает стабильность поверхностей контакта и снижает износ благодаря интерметаллидной матрице. Повышенный коэффициент трения у верхних слоёв 367 и 368 связан с жёсткостью оксидных слоёв, что приводит к увеличению силы адгезии на микроуровне. Образец 172 (основа) имеет самый низкий коэффициент трения, связанный с его высокой износостойкостью и однородностью структуры. Образцы 367 и 368 демонстрируют более высокий коэффициент трения, особенно на начальных этапах (~2000 циклов), что связано с особенностями оксидных слоёв и межфазных взаимодействий. 3. По результатам дилатометрических исследований спекания композитных матричных материалов построены графики изменения плотности в зависимости от параметра Z при температурах спекания. При анализе аналогичных кривых для слоистых материалов на основе матрицы М1, принципиальных различий в кинетике спекания не было обнаружено, т.к. слои достаточно тонкие, в сумме не более 600 мкм толщиной. 4. Для слоистых материалов с чередованием Mv/Ni и Mv/Ni/Mre было исследовано, как внутреннее трение изменяется в зависимости от температуры. В ходе этого исследования были обнаружены характерные плато на кривых внутреннего трения. Эти плато могут быть связаны с тем, что в многослойных материалах, таких как интерметаллид/металл/керамика, механизмы рассеивания энергии стабилизируются в определённом диапазоне температур или частот. При низких частотах колебаний внутреннее трение в металлическом слое может быть более выраженным, поскольку металл быстрее реагирует на механические воздействия. Однако при высоких частотах или температурах керамика и интерметаллид могут активировать свои собственные механизмы рассеивания энергии, что приведёт к выравниванию вклада каждого слоя в общий отклик системы. Таким образом, разница в толщине слоёв существенно влияет на то, как энергия рассеивается в системе и как распределяется внутреннее трение. В определённых условиях каждый слой начинает вносить одинаковый вклад, что приводит к выравниванию кривой внутреннего трения. 5. В ходе работы были проведены коррозионные исследования образцов металлических материалов. Наибольшая масса 29,18 % была потеряна образцом NiAl-РЗМ. Потеря массы образцов NiCoCr и М1 составили 3,09 % и 7,98 %, соответственно. Исходя из результатов коррозионных испытаний для образца NiCoCr были определены средние скорости коррозии в мг/(мм2∙мин) (v) и м/год (M), которые составили 0,00078 мг/(мм2∙мин) и 0,221 м/год. Было также установлено, что даже добавка 0,0005 масс. % наночастиц SiC в NiCoCr приводит к существенному снижению скорости его коррозии практически в 4 раза. Скорость коррозии матричного материала М1 на основе NiAl, легированного рядом добавок составила 0,00049 мг/(мм2∙мин) и 0,195 м/год. 6. Построены диаграммы Пурбе для NiAl и NiAl-Cr-Mo. Для системы NiAl-Cr-Mo в области рН=0-0,06 и низких потенциалов от -2 до -1,5 В существуют стабильные интерметаллиды, металлы и оксид алюминия. Затем происходит ионизация алюминия до Al3+. В области около 0 В существуют ионы всех компонентов системы Mo3+, Cr3+, Ni2+ и Al3+. Затем появляется с ростом потенциала стабильный оксид молибдена, что улучшает коррозионные свойства материала. 7. Проведённое термодинамическое моделирование коррозии NiAl материала в выбранном коррозионном растворе показало, что основными продуктами коррозии являются нитрат никеля, гидроксид алюминия и оксид хрома. Также заметен фторид алюминия. Так как нитрат алюминия присутствует в растворе, то он частично пассивирует плавиковую кислоту. Оксид хрома довольно стабильный материал и обладает защитными антикоррозионными свойствами. 8. Проведено испытание нового слоистого материала M1/NiCoCr/TDZ в расплаве солнечной соли при 270 оС в течение 60 часов, в результате которых изменения массы образца зафиксировано не было. 9. Проведено исследование трибокоррозии в расплаве солнечной соли многослойного образца Mv/Ni/TDZ (TDZ – 79.9Dy2O3-20TiO2-0.1ZrO2). Сформулирована стадийность разрушения испытанных материалов. Установлено, что характер изменения массы образца меняется с увеличением количества циклов испытаний: до 150000 – кривая имеет плато, а после заметен нисходящий характер. 10. Описаны возможные пути коррозии и представлены вероятные химические реакции, которые могут происходить. Построена диаграмма Эллингема, отражающая реакции окисления компонентов материала, включая образование сложных оксидов. Оксиды алюминия (Al2O3) и хрома (Cr2O3) имеют самые низкие значения ΔG, что свидетельствует об их термодинамической стабильности и высокой вероятности образования. Оксиды никеля (NiO) и молибдена (MoO3) также формируются, но их свободная энергия выше, что делает их менее стабильными. Образование сложных оксидов, таких как шпинели (NiCr2O4, CoAl2O4) и титанаты (Dy2Ti2O7), происходит с умеренно отрицательной ΔG, что указывает на возможность их формирования при определенных условиях. Реакции с участием MoO3 (TiMoO4) имеют низкую термодинамическую стабильность и могут происходить только в локальных участках. 11. Была изучена жаростойкость материалов NiAlCrMoCoV (3 мм)/Ni (200 мкм)/79.9Dy₂O₃-20TiO₂-0.1ZrO₂ (400 мкм) и M1/NiCoCr/TDZ (аналогичные толщины слоёв) при 750 °C на воздухе. За всё время первый образец набрал до 50 % от начальной массы. Судя по интенсивности набора массы, сильно образец с матрицей NiAlCrMoCoV окислился в первый этап испытаний, затем, видимо из-за пассивации поверхности, рост окислов замедлился, колеблясь по значению. Набор массы образца с матрицей M1 составил дополнительно до 40 % от первоначальной. При этом интенсивность набора массы не росла на начальном этапе как для предыдущего образца, но колебалась с течением времени.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Материалы и подходы к их структурированию, полученные и развитые в работе, могут применяться для конструирования высоконагруженных узлов энергоустановок различного типа.