Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В проекте разрабатывается технология получения композитного материала на основе стали с вольфрамовым волокном. На первом этапе проекта было изучено структурно-фазовое состояния зоны взаимодействия между вольфрамом и сталью, измерен угол смачивания между расплавом стали и вольфрамом. Данные показали, что благодаря хорошему смачиванию возможно использовать капиллярные силы, возникающие между расплавом и капиллярно-пористыми сетками (КПС) из вольфрама. Однако образование интерметаллидных фаз, которые активно формируются с повышением температы расплава, значительно влияет на соединение между матрицей и волокном, ухудшая его свойства. В частности при использовании чистого железа формирование интерметаллидов, а также разница в коэффициентах термического расширения, приводила к растрескиванию места соединения. Технология заполнения вольфрамовых КПС с помощью инфильтрации и литья расплава стали была применена для заполнения КПС. В результате был получен композитный материал, который состоит из вольфрамовых проволок и стальной матрицы. Структура композита содержит хрупкие интерметаллидные соединения Fe7W6, которые могут ухудшать такие свойства, как теплопроводность, прочность и пластичность. Чтобы предотвратить взаимодействие материалов и образование интерметаллдов возможно использовать покрытия в виде металлов (например хром) и неметаллов (например карбид вольфрама). Моделирование композитного материала в программе ANSYS Thermal показал что полученный композит с 20-30 об.% вольфрама может обладать теплопроводностью 48–69 Вт/м K при 100 °C, что позволяет выдерживать тепловые потоки от стационарной плазмы в 10 МВт/м2 в течение 100 секунд. Композитный материал может быть применён в качестве основы для КПС с литием, которые применяются в токамаках как обращённые к плазме материалы. В качестве материала основы для литиевых КПС данные материал значительно лучше чем чистая сталь благодаря повышенной теплопроводности.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе исследования была поставлена задача предотвратить взаимодействие вольфрамового волокна с расплавом матрицы при инфильтрации, что особенно актуально из-за высокой температуры процесса и быстрой кристаллизации. Наиболее очевидным решением стало нанесение барьерных покрытий на вольфрам до пропитки. Были рассмотрены три варианта: карбид вольфрама, хром и никелевый сплав с содержанием 34 ат.% железа (Ni34Fe). Покрытия наносились на вольфрамовые пластины различными методами: карбид вольфрама толщиной 13–15 мкм — методом газофазного осаждения ; хром толщиной 10-15 мкм — магнетронным напылением; Ni34Fe толщиной 5–7 мкм — наплавкой расплава. Испытания показали, что при контакте с расплавом чистого железа и стали 316LN при температурах 1410–1550 °C покрытие из карбида вольфрама полностью растворяется, а на границе вольфрама и железа формируется интерметаллид Fe₇W₆. Углерод из карбида переходит в матрицу, повышая хрупкость интерметаллидного слоя, что подтверждается увеличением количества трещин по сравнению с образцами без покрытия. Аналогичная картина наблюдается и при взаимодействии со сталью 316LN. Таким образом, карбид вольфрама, несмотря на высокую тугоплавкость, не может служить эффективным барьером и даже ухудшает эксплуатационные характеристики за счёт повышения хрупкости. Покрытия из хрома и Ni34Fe также не выдержали испытаний: при погружении в расплав стали 316LN при 1500 °C они полностью растворялись, а на поверхности вольфрама вновь образовывался интерметаллид Fe₇W₆. В случае хрома, несмотря на большую толщину (10 мкм), защита оказалась временной — расплав быстро разрушал покрытие. Химический и фазовый состав интерметаллидного слоя не изменялся, что свидетельствует о неэффективности хрома как барьерного материала. Таким образом, все три покрытия оказались непригодными для предотвращения взаимодействия вольфрама с расплавом стали. В работе была разработана технология капиллярной инфильтрации в индукционной печи, позволившая достичь пропитки на всю высоту образца — более 10 мм, в отличие от литья в изложницу, где глубина пропитки не превышала 1 мм. Температура расплава контролировалась пирометром, а образец КПС предварительно нагревался до ~600 °C для улучшения смачивания. Микроструктура полученных композитов со стальной матрицей (W316, WX13) состояла из вольфрамового волокна, окружённого слоем Fe₇W₆ (5–10 мкм), и пересыщенного твёрдого раствора стали. Однако в волокнах наблюдались трещины, вероятно, из-за технологических дефектов при прессовании КПС, что способствовало проникновению расплава и разрушению структуры. В связи с наличием нежелательных интерметаллидов и различных структурных дефектов была изменена стратегия: вместо защиты волокна предложено изменить саму матрицу. Альтернативный композит WNi34Fe, полученный методом литья, показал принципиально иную картину: интерметаллидов не обнаружено, вольфрам равномерно растворяется в γ-(Fe, Ni) твёрдом растворе (до 7,5 масс.% на расстоянии 50 мкм от волокна). Это делает Ni34Fe перспективной матрицей для композитов, работающих в условиях высоких температур. Одним из ключевых параметров для обращённых к плазме материалов является температуропроводность. Измерения методом лазерной вспышки показали, что композит W316 имеет температуропроводность на 28 % выше, чем исходная сталь - около 5 мм2/с. Что значительно ниже ожидаемого, учитывая температуропроводность вольфрама порядка 70 мм2/с. В то же время WNi34Fe продемонстрировал наибольшее значение температуропроводности около 8,5 мм2/с. Незначительность вклада в температуропроводность от вольфрамового волокна объясняется его спиральной структурой, не способствующей продольному переносу тепла. Переносу тепла также препятствует негомогенная структура с множеством границ между фазами, что особенно заметно на примере WX13, в структуре которого содержание интерметаллидов наибольшее. При термическом циклировании (500 °C ↔ 50 °C, 100 циклов) композиты со стальной матрицей (WX13, W316) разрушились полностью или частично, тогда как WNi34Fe до и после отжига сохранили структурную целостность. Разрушение стальных композитов происходит в матрице из-за хрупкости интерметаллидов и разницы в коэффициентах теплового расширения. В матрице из сплава Ni34Fe, обладающей высокой пластичностью, напряжения эффективно рассеиваются. Отжиг при 1050 °C в течение 10 часов снижает остаточные напряжения, но не предотвращает разрушение композитов со стальной матрицей при циклировании. Исследование структуры при отжиге при 1050 °C показало, что уже через 1 час в стальных композитах начинается рост интерметаллидного слоя (до 10–15 мкм) и выпадение интерметаллидов в матрице. При 10 часах наступает полная деградация матрицы и её превращение в смесь интерметаллидов. Вольфрамовое волокно остаётся стабильным. В композите WNi34Fe структурных изменений не наблюдается, содержание вольфрама в матрице незначительно повышается, а новых фаз не образуется. Таким образом, все рассмотренные барьерные покрытия оказались неэффективными. Наиболее перспективным решением является использование в качестве матрицы Ni34Fe, который не образует интерметаллидов с вольфрамом, обладает высокой термостойкостью, стабильной структурой при высоких температурах и сохраняет целостность при циклических нагрузках.