Электродуговой синтез и оценка свойств высокоэнтропийных боридов металлов

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 25-19-00390

НазваниеЭлектродуговой синтез и оценка свойств высокоэнтропийных боридов металлов

Руководитель Пак Александр Яковлевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №104 - Конкурс 2025 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 многокомпонентные бориды, высокоэнтропийные бориды, бориды металлов, синтез, дуговой разряд, безвакуумный метод, состав, структура, свойства

Код ГРНТИ61.31.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Высокоэнтропийные керамические материалы открыты относительно недавно, исследования в области развития методов их синтеза и оценки свойств активно ведутся в последние 5-7 лет. Среди них можно выделить группу высокоэнтропийных боридов (ВЭБ) металлов, которые фактически формируют новый класс ультратугоплавких многокомпонентных материалов. В состав их кристаллической решетки входит одновременно несколько металлов (обычно 4-5) и бор, причем различают монобориды, дибориды, тетрабориды (в другие высшие бориды) металлов. Принципиально различают ВЭБ на основе переходных металлов и редкоземельных металлов. Число сочетаний по 4-5 элементов из известного ряда переходных и редкоземельных металлов, а также и количество бора в соединении определяют возможности предсказания и синтеза множества различных эквимолярных и неэквимолярных комбинаций. Наиболее распространенные подходы к синтезу таких материалов базируются на нагревании и длительной выдержке исходного сырья в инертной среде или вакууме, что определяет высокую энергоемкость процесса синтеза, значительные временные затраты, необходимость использования громоздкого дорогостоящего оборудования. Осложняет предметный поиск недостаток знаний об известных и гипотетически стабильных новых ВЭБ. Таким образом, актуальным представляется вопрос реализации комплексных исследований в области реализации синтеза многокомпонентных боридов, высокоэнтропийных боридов, причем методом, отличающимся простотой реализации и высокой энергоэффективностью, т.е. пригодного для быстрого тестирования гипотез о возможности получения того или иного материала. В настоящем проекте будет осуществлен синтез кристаллических фаз в условиях присутствия ряда металлов в различных сочетаниях и бора в целях получения многокомпонентных и высокоэнтропийных боридов различного состава впервые безвакуумным электродуговым методом. Впервые будет установлена возможность реализации синтеза многокомпонентных боридов металлов и высокоэнтропийных боридов металлов в плазме дугового разряда постоянного тока, инициированного в открытой воздушной среде; впервые будут определены возможности влияния на фазовый состав и морфологию продуктов синтеза значимыми управляемыми параметрами процесса подготовки исходного сырья и электродугового синтеза. Впервые будут оценены свойства порошков высокоэнтропийных боридов переходных металлов, полученных безвакуумным электродуговым методом и объемных материалов на их основе.

Ожидаемые результаты
По итогам проекта будет создана электродуговая методика получения известных и новых гипотетических высокоэнтропийных боридов переходных металлов, будет осуществлена попытка синтеза разрабатываемым методом всех известных и гипотетически предсказанных высокоэнтропийных боридов на основе переходных металлов IV-VI групп (а также боридов отдельных металлов IV-VI групп, ранее не получаемых предложенным методом). Будут установлены параметры подготовки шихты, электродугового процесса, обеспечивающие успешный синтез высокоэнтропийных боридов, будут установлены закономерности формирования и особенности кристаллической структуры, морфологии частиц высокоэнтропийных боридов. Будут получены образцы технической керамики на основе полученных фаз высокоэнтропийных боридов. Будут исследованы свойства порошковых и объемных полученных керамических материалов. Запланированные результаты соответствуют мировому уровню и мировой новизне. На сегодняшний день (ноябрь 2024 года) в литературе отсутствуют упоминания об успешном синтезе высокоэнтропийных боридов предлагаемой (или аналогичной) методикой, за исключением заявки на способ получения высокоэнтропийного борида TiZrNbHfTaB2, зарегистрированной в ФИПС в установленном порядке коллективом авторов данного проекта (ссылка представлена в разделе “задел”), показывающей принципиальную возможность получения ВЭБ предлагаемым подходом. Ввиду широких возможностей варьирования составом ВЭБ высока вероятность получения новых ультратугоплавких материалов с характеристиками, близкими к рекордным, что открывает новые возможности для совершенствования свойств материалов. Предлагаемая к развитию методика может послужить научно-техническими основами для создания опытного производства новых материалов на основе ВЭБ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В настоящее время в мире ведется поиск новых высокопроизводительных и малозатратных методов получения известных боридов отдельных переходных металлов, а также ведется поиск подходов к получению новых так называемых высокоэнтропийных боридов и материалов на их основе. Актуальным видится вопрос поиска новых методов получения многокомпонентных (высокоэнтропийных) материалов. В этой связи развитие безвакуумного электродугового метода обеспечивает возможности быстрого тестирования гипотез о возможности синтеза той или иной кристаллической фазы. В рамках данного проекта впервые разработан безвакуумный электроразрядный метод получения высокоэнтропийного борида TiZrNbHfTaB2, реализуемый воздействием дугового разряда постоянного тока в открытой воздушной среде. Получены экспериментальные образцы порошков боридов отдельных переходных металлов и высокоэнтропийного борида TiZrNbHfTaB2. В ходе реализации проекта была доказана возможность получения кристаллических фаз сверхтвердых, тугоплавких боридов металлов, а также высокоэнтропийного борида TiZrNbHfTaB2 оригинальным безвакуумным методом с использованием разработанного в Томском политехническом университете отечественным реактором с электродуговым нагревом. По итогам проведенных серий экспериментов доказано формирование автономной газовой среды в реакционной зоне при синтезе боридов отдельных металлов (не получаемых ранее развиваемым методом) и впервые - высокоэнтропийного борида TiZrNbHfTaB2, что расширяет границы безвакуумного электродугового метода на возможности синтеза высокоэнтропийной боридной керамики в целом. Предложенный метод отличается от прямых аналогов отсутствием необходимости использования вакуумного и газового оборудования в задачах получения боридной керамики, что в свою очередь позволяет существенно повысить производительность, снизить капитальные и эксплаутационные затраты, что демонстрирует высокую практическую значимость работы. Оценены предельные количества шихты На первом году реализации проекта определены параметры подготовки шихты (требуемые соотношения компонентов, параметры помола), рекомендуемые энергетические параметры процесса электродугового синтеза, обеспечивающие одновременно достижение так называемого эффекта самоэкранирования реакционного объема, как и доминирование кристаллических фаз боридов отдельных переходных металлов, а также многокомпонентного (высокоэнтропийного) борида. Установлены зависимости фазового состава продуктов от режимных параметров электродуговой обработки (сила тока разрядного контура, продолжительность дуговой обработки, количество подведенной энергии). Оценены морфологические и гранулометрические особенности получаемых оригинальным методом боридов металлов и высокоэнтропийного борида TiZrNbHfTaB2. Ключевой характеристикой сверхтвердых материалов является их окислительная стойкость. В этой связи для полученных материалов установлены параметры процессов окисления при их нагревании в воздушной среде. Также проведены исследований in-situ процессов эволюции фазового состава высокоэнтропийного борида TiZrNbHfTaB2 при нагревании термической камере рентгеновского дифрактометра. Кроме того, по результатам анализа литературных источников составлена база данных, содержащая сведения об известных составах кристаллических фаз высокоэнтропийных боридов, их структуре, свойствах, методах получения и режимных параметрах синтеза. Эти сведения необходимы для построения гипотез и экспериментальной проверки возможностей получения тех или иных известных и расчетных кристаллических фаз высокоэнтропийных боридов разрабатываемым методом. Кроме того, систематизированные сведения могут быть в дальнейшем использованы другими исследователями для создания обучающих выборок в целях развития методов машинного обучения для цифрового дизайна высокоэнтропийных материалов. Дальнейшие исследования планируется направить на реализацию процессов синтеза всех известных полученных ранее в мире и гипотетических (расчетных) фаз эквимолярных высокоэнтропийных боридов переходных металлов IV-V групп, определении их структуры, особенностей морфологии частиц, свойств, в особенности, окислительной стойкости. Получаемые в рамках данного проекта научные результаты в перспективе могут послужить основой технологии получения новых материалов на основе высокоэнтропийных боридов. В ходе реализации работы были опубликованы новости о текущих результатах проекта: //news.tpu.ru/news/uchenym-tpu-vpervye-udalos-sintezirovat-mnogokomponentnyy-borid-na-otkrytom-vozdukhe/; https://science.mail.ru/news/37944-uchenye-nashli-bolee-prostoj-metod-sinteza-novoj-keramiki/; https://www.riatomsk.ru/article/20251013/tpu-razrabotal-novuyu-tehnologiyu-polucheniya-sverhtverdih-materialov, https://ria.ru/20251013/nauka-2047296930.html.

Публикации

1. Поваляев П.В., Герасимов Р.Д., Власов А.В., Шляхов Т.С., Болатова Ж.С., Пак А.Я. Трехэлектродный дуговой реактор постоянного тока для синтеза высокоэнтропийных боридов переходных металлов Электричество (год публикации - 2025)
:10.24160/0013-5380-2025-10-37-45

2. Пак А.Я., Поваляев П.В., Власов А.В., Герасимов Р.Д., Болатова Ж.С., Свинухова А.А., Сподина А.В., Васильева Ю.З. Synthesis of high-entropy diboride TiZrNbHfTaB2 by vacuum-free direct current arc plasma method International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. ELSEVIER SCI LTD125 London Wall, London EC2Y 5AS, ENGLAND (год публикации - 2025)
:10.1016/j.ijrmhm.2025.107417