Получение субмикрокристаллических высокоэнтропийных карбидов с улучшенными свойствами для работы в экстремальных условиях

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 23-79-10217

НазваниеПолучение субмикрокристаллических высокоэнтропийных карбидов с улучшенными свойствами для работы в экстремальных условиях

Руководитель Московских Дмитрий Олегович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова Высокоэнтропийные материалы, карбиды, высокоэнергетическая механическая обработка, механическое сплавление, искровое плазменное спекание, механические свойства, MAX-фаза, силициды, окисление.

Код ГРНТИ55.09.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Применение керамических материалов в устройстве жидкостных ракетных и газотурбинных двигателей имеет определенные перспективы и позволит повысить мощностные показатели силовых установок. На данный момент материаловедение не может обеспечить все те требования, которые предъявляются современной инженерией ракетостроения. Разработка объемных керамических материалов с высоким сопротивлением высокотемпературному окислению и абляции, высокой жаропрочностью в сочетании с надежность всей конструкции - одна из самых актуальных и, к сожалению, не решенных задач современного материаловедения. Высокоэнтропийные карбиды (ВЭК) являются перспективными кандидатами для этих целей прежде всего за счет замедленной диффузии металлических атомов в сильно деформированной кристаллической решетке с ковалентной связью, что ведет к повышенным физикомеханическим свойствам при высоких температурах, где диффузия играет основную роль. Однако их типичная для данного типа материалов низкая трещиностойкость является барьером перед их внедрением в авиакосмическую отрасль. Данный проект направлен на разработку высокоэнтропийных карбидов с субмикрокристаллической структурой и композитов на ее основе, обладающих высокими физикомеханическими свойствами в сочетании с повышенной трещиностойкостью. Проект подразумевает создание перспективной технологии получения субмикрокристаллических ВЭК путем синтеза нестехиометрических нанопорошков монокарбидов и нестехиометрических нанопорошков ВЭК методам металлотермического восстановления оксидов переходных металлов c их карбидизацией за один цикл и дальнейшей консолидацией посредством искрового плазменного спекания. В проекте предлагается новый подход к созданию композитов на основе ВЭК - добавки МАХ-фаз в качестве второго компонента. Результаты проекта позволят показать эффект перехода от крупно к субмикрокристаллической композитной структуре на физикомеханическое свойства ВЭК при повышенных температурах и определить дальнейшие перспективы данного ряда материалов. Реализация цели проекта также требует проведение фундаментальных исследований процессов как металлотермического синтеза, так и механизмов взаимодействия наноразмерных порошков при спекании, что позволит привнести новые данные в материаловедение керамических материалов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Володько С.С., Московских Д.О., Юдин С.Н., Кусков К.В., Кузьмин А.В., Гурьянов А.М., Алимов И.А., Касимцев А.В. Synthesis of nano- and ultra-fine refractory carbide powders by low-temperature calcium-carbothermic process and their grain growth during sintering Ceramics International, 50, 12, стр. 22141-22148 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ceramint.2024.03.327

2. Сиднов К.П.. Московских Д.О., Володько С.С., Юдин С.Н., Чжан Ч., Воротыло С. High-throughput assessment of stability and mechanical properties of medium- and high-entropy carbides: Bridging empirical criteria and ab-initio calculations Computational Materials Science (год публикации - 2024)

3. Хуэйфэнь Го, Вэйхэн Цзоу, Дмитрий Московских, Сергей Юдин, Чжан линь Чэн, Сергей Володько, Ченгуй Чжан High creep resistance of (Hf0.2Ta0.2Ti0.2Nb0.2Zr0.2)C high entropy ceramics prepared by spark plasma sintering of the self-propagating high temperature synthesized powders Ceramics International (год публикации - 2024)
10.1016/j.ceramint.2024.11.489

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проведенные исследования выявили влияние режимов обработки оксидов и углерода в планетарной мельнице на структуру порошков и спеченных образцов, полученных методом искрового плазменного спекания. Синтезированы однофазные порошки ВЭК и монокарбидов размерами 100 – 170 нм. Анализ химического состава порошков показал, что содержание кислорода варьируется от 0,34 до 0,56 %мас., азот содержится в пределах 0,0010 – 0,0091 %мас., а свободный углерод составляет 0,01 %мас. Экспериментально установлено, что энергия активации рекристаллизации в нестехиометрических карбидах ниже приблизительно в 1,5 раза по сравнению со стехиометрическими. Однако, наблюдается общая особенность для монокарбидов и высокоэнтропийных карбидов, которая заключается в том, что с определенной температуры, скорость роста зерен в стехиометрических карбидах превышает таковую для нестехиометрических, однако, причина этого не установлена. Установлено, что скорость усадки нестехиометрических высокоэнтропийных карбидов может быть в несколько раз выше по сравнению со стехиометрическими. Энергия активации спекания монокарбидов варьируется от 220 до 300 кДж/моль, а для высокоэнтропийных карбидов от 330 до 450 кДж/моль. Понижении стехиометрии снижает энергию активации примерно в 1,5 раза и увеличивает конечную плотность керамики. Механизм, контролирующий спекание, был установлен как зернограничная диффузия. Изменение стехиометрии по нашим данным не приводит к смене механизма спекания. Результаты экспериментов показывают, что температура искрового плазменного спекания не должна быть ниже 1500 °С, а время спекания может варьироваться от 5 до 10 минут для достижения плотности выше 98 %, не принимая во внимание масштабный фактор образцов. Механические свойства образцов с различными размерами зерна подтверждают, что наилучшие характеристики прочности показывают образцы с мелкокристаллической структурой, достигая предела прочности до 3,55±0,25 ГПа при комнатной температуре для образца с условным среднем размером зерна 0,32±0,18 мкм.

Публикации