Жаростойкие высокоэнтропийные сплавы для использования в термобарьерных покрытиях в качестве металлического подслоя

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 25-23-20049

НазваниеЖаростойкие высокоэнтропийные сплавы для использования в термобарьерных покрытиях в качестве металлического подслоя

Руководитель Самойлова Ольга Владимировна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" , Челябинская обл

Конкурс №100 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-402 - Электрохимия и коррозия металлов

Ключевые слова Термобарьерные покрытия, металлический подслой, высокоэнтропийные сплавы, жаростойкость, оксидные пленки

Код ГРНТИ31.01.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
По итогам реализации Проекта будут получены: 1. Адаптированные алгоритмы термодинамического моделирования фазовых равновесий, реализующихся в ходе высокотемпературного (в интервале 1000–1150 °С) окисления сплавов ВЭС AlxCoCryNiMez (где Me – это Pt, Y, Hf, Nb); причем x будет варьироваться от 0,5 до 1,5 с шагом 0,5, y = от 0,5 до 1 с шагом 0,25 и z = от 0,1 до 0,5 с шагом 0,1. В ходе работы будут оценены термодинамические характеристики оксидов и интерметаллидов, которые могут возникать в исследуемых системах с целью описания условий их термодинамической стабильности, что внесет существенный вклад в область термодинамического моделирования многокомпонентных сплавов. Будет получена база термодинамических данных, применимых для анализа процессов взаимодействия компонентов исследуемых ВЭС с кислородом для интервала температур 1000–1150 °С с образованием различных оксидных фаз. Это позволит в дальнейшем проводить расчеты фазообразования при высокотемпературной газовой коррозии многокомпонентных сплавов с целью предсказания их поведения в зависимости от композиции ВЭС и температуры рабочей среды. 2. Результаты термодинамического моделирования процесса высокотемпературного окисления ВЭС предложенных составов. Результаты будут представлены и в форме фазовых диаграмм различных типов исследуемых систем, и в форме зависимостей масс отдельных фаз от температур, концентраций компонентов, парциального давления кислорода в газовой фазе. При сравнении расчетных данных можно будет определить пути дальнейшего получения жаростойких композиций ВЭС. 3. Методики выплавки экспериментальных образцов исследуемых ВЭС. Образцы исследуемых ВЭС AlxCoCryNiMez (где Me – это Pt, Y, Hf, Nb); x = от 0,5 до 1,5 с шагом 0,5, y = от 0,5 до 1 с шагом 0,25 и z = от 0,1 до 0,5 с шагом 0,1. Введение тугоплавких элементов создаст дополнительные трудности, так как будет необходимо обеспечить их равномерное распределение по всему объему образца. В ходе выполнения Проекта будут апробированы различные варианты методик выплавки, в том числе и с использованием приемов порошковой металлургии. А по результатам Проекта будет предложена оптимальная схема выплавки образцов исследуемых ВЭС. 4. Результаты исследования микроструктуры и фазового состава образцов ВЭС AlxCoCryNiMez (где Me – это Pt, Y, Hf, Nb); x = от 0,5 до 1,5 с шагом 0,5, y = от 0,5 до 1 с шагом 0,25 и z = от 0,1 до 0,5 с шагом 0,1. Анализ экспериментальных данных позволит определить возможность (или ее отсутствие) получения микроструктуры без сегрегации дополнительно вводимых элементов (Pt, Y, Hf, Nb) в отдельные низкоэнтропийные фазы. 5. Результаты определения температуры начала интенсивного окалинообразования для исследуемых сплавов в воздушной среде. Результаты экспериментального изучения процессов высокотемпературного (в интервале 1000–1150 °С, шаг 50 °С) окисления в течение 50–150 часов образцов исследуемых ВЭС. Полученный вид кривых привеса массы в зависимости от времени изотермической выдержки позволит определить характер протекания газовой коррозии, а информация, полученная при различных температурах, позволит рассчитать энергию активации процесса. Будут определены составы образующихся оксидных фаз, структуры образующихся оксидных слоёв и состав металла вплотную примыкающего к оксидному слою. Изучение твердофазного окисления ВЭС позволит получить данные о кинетических характеристиках этого процесса при различных температурах. Также будут получены результаты расчета отношения Пиллинга-Бедворта для образующихся оксидных слоев. Анализ полученной информации позволит определить пути создания высокоэнтропийных сплавов с повышенной жаростойкостью, выработать рациональные подходы к синтезу ВЭС. 6. Образцы никелевых сплавов с нанесенными термобарьерными покрытиями, где в качестве металлического подслоя будут использованы наиболее перспективные из изученных составов ВЭС, а для наружного керамического покрытия будет использована керамика из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Результаты исследования качества полученного покрытия. Результаты исследования деградации нанесенного покрытия после эксплуатации.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Можно выделить следующие наиболее интересные результаты работ 2025 года: 1. Сформирована база термодинамических данных, применимая для анализа процессов взаимодействия компонентов исследуемых высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) (AlxCoCryNiMez (где Me – это Pt, Y, Hf, Nb); x = от 0,5 до 1,5 с шагом 0,5, y = от 0,5 до 1 с шагом 0,25 и z = от 0,1 до 0,5 с шагом 0,1) с кислородом для интервала температур 1000–1150 °С с образованием различных оксидных фаз. В ходе работы было установлено, что наиболее информативной является форма представления результатов расчета в координатах «логарифмическая шкала парциального давления O2 (давление в барах, логарифмы – десятичные) – состав системы в единицах измерения массы (граммах)». Согласно результатам термодинамического моделирования процесса высокотемпературного окисления исследуемых ВЭС при высоком парциальном давлении кислорода в системе продуктами окисления могут стать фазы со структурой шпинели и монооксидная фаза (MeO). При уменьшении давления кислорода характерно образование фазы на основе оксида алюминия Al2O3. Стоит отметить образование оксида иттрия и/или алюмината иттрия при высокотемпературном окислении металлических систем, включающих иттрий в своем составе. Оксидные соединения с иттрием образуются при еще меньшем парциальном давлении кислорода в системе, чем необходимо для образования оксида алюминия. Для образцов, легированных платиной, согласно расчету Pt не взаимодействует с кислородом воздуха и не входит в состав образующихся продуктов окисления. 2. Разработана методика и проведены плавки экспериментальных образцов систем AlxCoCryNiMez (где Me – это Pt, Y, Hf, Nb); x = от 0,5 до 1,5 с шагом 0,5, y = от 0,5 до 1 с шагом 0,25 и z = от 0,1 до 0,5 с шагом 0,1. Получены литые слитки указанных сплавов. Установлено, что микроструктура и фазовый состав исследуемых ВЭС изменяются в зависимости от вводимого элемента (Me) и его содержания (z). Для сплавов, легированных ниобием или гафнием, обнаружены фазы, обогащенные тугоплавким металлом, которые выделяются в междендритном пространстве в виде интерметаллидов. Так для Nb-содержащих ВЭС определено наличие фазы Лавеса типа (Co2Nb). Для ВЭС, легированных гафнием, при малой концентрации гафния (z = 0,1) характерна фаза Ni7Hf2, а при увеличении содержания гафния в сплаве (z ≥ 0,2) помимо этой фазы установлено наличие фазы Лавеса типа (Co2Hf). Для сплавов, легированных платиной, при ее содержании z ≤ 0,3 платина не выделяется отдельной фазой, а входит в состав твердых растворов (ОЦК и ГЦК). При содержании платины z > 0,3 в микроструктуре появляются выделения интерметаллида Al2Pt. Для сплавов, легированных иттрием, характерно наличие дисперсных Y-содержащих частиц округлой формы, распределенных в твердых растворах в виде небольших скоплений. 3. Определена температура начала интенсивного окалинообразования для исследуемых сплавов AlxCoCryNiMez (где Me – это Pt, Y, Hf, Nb) в воздушной среде. Наибольшую температуру начала интенсивного окалинообразования демонстрируют образцы ВЭС, легированные платиной. Для данных сплавов, эта температура находится в интервале от 1290 до 1330 °С. Далее идут сплавы, содержащие иттрий; для них температура начала интенсивного окалинообразования варьируется от 1270 до 1305 °С. Для легированных гафнием ВЭС значения этого показателя находятся в интервале от 1200 до 1240 °С. Наименьшая температура начала интенсивного окалинообразования оказалась у образцов ВЭС, легированных ниобием; в зависимости от состава сплава она варьируется от 1170 до 1230 °С. 4. Выявлены особенности поведения ВЭС, легированных Nb, Hf, Pt или Y, при высокотемпературном окислении. Показано, что основным фактором, влияющим на сопротивление высокотемпературному окислению, является морфология образующейся оксидной пленки, которая зависит от ее фазового состава. Для всех изученных составов ВЭС характерен параболический (а в некоторых случаях даже кубический) закон окисления. Наибольшую стойкость при изотермической выдержке в течение 100 часов при 1000–1150 °С продемонстрировали образцы, легированные иттрием. Сформировавшийся на поверхности таких ВЭС оксидный слой однороден, не имеет дефектов и состоит из плотной массы игольчатых кристаллитов Al2O3 толщиной менее 1 мкм. Сплавы, легированные платиной или гафнием, также демонстрируют высокое сопротивление высокотемпературной газовой коррозии; фазовый состав оксидной пленки у данных ВЭС представлен в основном оксидом алюминия Al2O3, однако есть некоторая доля оксида хрома и шпинелей, которые представлены более грубыми и крупными кристаллитами. Наименьшую стойкость показали образцы, легированные ниобием. Ниобий принимает более активное участие в процессе формирования окалины, а его оксидные соединения по своей морфологии более пористые и рыхлые по сравнению с оксидом алюминия, что снижает защитные свойства поверхностной пленки у этих ВЭС. 5. Написаны и отправлены в редакции ведущих рецензируемых научных журналов тексты 5 (пяти) статей, 3 (три) из которых приняты к публикации (2 (две) на настоящий момент уже опубликованы, а также проиндексированы базами данных Scopus и Web of Science). Результаты научных исследований по Проекту были представлены на XVI Симпозиуме с международным участием «Термодинамика и материаловедение» (Россия, г. Санкт-Петербург, 30 июня – 4 июля 2025 года).

Публикации

1. Самойлова О., Працкова С., Шабурова Н., Остовари Могаддам А., Трофимов Е. High-temperature oxidation resistance of Fe-free AlCoCrNiNb0.2 and AlCoCr0.5NiNb0.2 high-entropy alloys Materials, 18 (2025) 3701 (год публикации - 2025)
10.3390/ma18153701

2. Самойлова О.В., Працкова С.Е., Судариков М.В., Шабурова Н.А., Трофимов Е.А. The behavior of the Al0.5CoCrNiNb0.5 eutectic high-entropy alloy during high-temperature oxidation (Изучение поведения эвтектического высокоэнтропийного сплава Al0.5CoCrNiNb0.5 при высокотемпературном окислении) Physical Mesomechanics (Физическая мезомеханика) (год публикации - 2026)

3. Самойлова О.В., Працкова С.Е., Плотникова П.Е. Термодинамическое моделирование высокотемпературного окисления жаростойких высокоэнтропийных сплавов, легированных Pt или Y Термодинамика и материаловедение: Тезисы докладов XVI Симпозиума с международным участием, Санкт-Петербург, 30 июня – 4 июля 2025. – Санкт-Петербург: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2025., 68 (год публикации - 2025)

4. Самойлова О., Працкова С., Плотникова П., Судариков М., Шабурова Н., Остовари Могаддам А., Трофимов Е. Pt-doped AlCoCrNiPt0.1 multi-principal element alloy for high-temperature applications Materials Letters, 403 (2026) 139506 (год публикации - 2026)
10.1016/j.matlet.2025.139506