Коллектив ученых из Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН и Института химии ФИЦ «Коми научный центр УрО РАН» впервые в мире синтезировал керамический материал на основе MAX-фазы Ti₃SiC₂, легированный цирконием, который демонстрирует рекордно высокую прочность при экстремальных температурах.
«Это материал на основе MAX-фаз, который совмещает в себе керамические и металлические свойства и способен работать в условиях высоких температур и агрессивных сред, при этом он достаточно легкий относительно того, что существует сейчас», — отметила в разговоре с корреспондентом «Научной России» кандидат химических наук, научный сотрудник Института химии Федерального исследовательского центра «Коми научный центр УрО РАН» Елена Иннокентьевна Истомина.
Специалистам удалось получить и исследовать твердые растворы состава (Ti₁₋ₓZrₓ)₃SiC₂ с содержанием циркония (x = 0,10 и 0,15) методом вакуумного карбосиликотермического восстановления с последующим горячим прессованием. По словам Елены Истоминой, «исключительность метода получения материала была в том, что в качестве исходных компонентов использовались оксиды: оксид циркония, оксид титана. По реакции карботермического восстановления мы получили материал на основе MAX-фазы Ti₃SiC₂, допированный цирконием в титановой подрешетке».
Результаты механических испытаний показали, что легирование цирконием значительно улучшило свойства материала. «Ранее применение материалов на основе MAX-фаз ограничивалось тем, что при температуре, допустим, 1200°C, они начинают “плыть”, проявлять ползучесть. Введение циркониевых материалов в кристаллическую решетку повышает эту температуру перехода в пластическое состояние», — пояснила исследовательница.
Твердость материала возросла с 3,9 ГПа у чистого Ti₃SiC₂ до 6,8 ГПа при x = 0,15, а прочность на изгиб при комнатной температуре увеличилась с 314 до 487 МПа. Особенно важно, что с ростом содержания циркония повысилась и температурная стабильность: порог перехода от хрупкого к пластичному разрушению сместился до 1600°C. Образец с максимальным содержанием циркония сохранил прочность 311 МПа (64% от исходной) даже при температуре 1600°C.
«Уникальность нашей разработки в том, что это было предсказано теоретически, но не было получено на практике. Мы достигли рекордно высокой прочности на изгиб для материалов на основе MAX-фаз. И, что важно, эта прочность на изгиб сохраняется при температуре выше 1200°C», — подчеркнула Е.И. Истомина.
Новый материал превосходит классические MAX-фазы по комплексу механических свойств при температурах выше 1200°C. Его применение перспективно в качестве конструкционных элементов газотурбинных двигателей, таких как огнеупорные облицовки камер сгорания, лопатки и направляющие аппараты, где требуется сочетание жаропрочности, термостойкости и долговечности.
Впервые показано, что легирование цирконием позволяет принципиально повысить рабочий температурный порог MAX-фаз и сохранить их механические свойства в экстремальных условиях. Это открывает путь к созданию новых поколений высокотемпературных керамических материалов для энергетики, транспорта, аэрокосмической и оборонной отраслей.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на странице предоставлено пресс-службой ИМЕТ РАН
