Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) в составе международного научного коллектива провели исследование и пошагово отследили поведение многослойного металлокерамического композита при высокотемпературном окислении. Результаты исследования показали, что композиты обладают высокой коррозионной стойкостью в течение 12 часов при 1200 °С.
Таким отраслям, как авиация, ракетостроение и энергетика нужны материалы, способные работать при экстремальных температурах и высокой механической нагрузке. Одно из перспективных направлений — создание керамики на основе MAX-фаз — материалов, сочетающих в себе свойства как металлов, так и керамики. Они устойчивы к тепловым ударам и обладает высокой стойкостью к окислению, однако склонны к хрупкому разрушению при комнатной температуре. Для решения этой проблемы ученые армируют керамику тугоплавкими металлами, например, молибденом, для получения многослойных материалов (ламинатов). Но поведение таких материалов при высоких температурах до сих пор было изучено слабо.
Авторы провели серию экспериментов с ламинатами слоистой архитектуры из прекерамической бумаги и молибденовой фольги. Их изготовили методом искрового плазменного спекания, контролируя толщину слоев и сцепление на границах. Высокотемпературное окисление проводили в два этапа: в диапазоне 900-1300 °С в течение 5 часов; изотермическая выдержка при 1200 °С в течение десятков часов. Параллельно ученые с помощью метода синхротронной рентгеновской дифракции в режиме реального времени отслеживали фазовые превращения внутри композита.
Результаты исследования показали, что ламинаты демонстрируют высокую стойкость к окислению при температурах 800-1000 °C: на их поверхности формируется плотная защитная пленка из оксида алюминия, которая надежно блокирует проникновение кислорода внутрь материала. При повышении температуры до 1100 °C защитный слой локально нарушается и образуются смешанные области оксидов титана и алюминия. При увеличении температуры до 1200 °C в зоне контакта молибдена и керамики образуются летучие оксиды молибдена и сложный оксид молибдата алюминия. Усиление окисления композитов, по словам ученых, происходит после 12 часов, а через 96 часов композит частично разрушается.
«Проведенные эксперименты показали, что ламинированные композиты имеют высокую коррозионную стойкость в течение 12 часов при 1200 °С. Нам удалось определить точные температурно-временные границы применения ламинированных композитов и выявить механизм их окисления. Такие данные позволят разработать конкретные инженерные решения для повышения ресурса композитов, например, с помощью варьирования архитектуры керамических и металлических слоев», — рассказал один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем ТПУ Максим Сыртанов.
По оценкам ученых, полученные результаты можно использовать при создании конструкционных узлов для двигателей нового поколения и аэрокосмической техники.
В исследовании приняли участие ученые лаборатории перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем Инженерной школы ядерных технологий Томского политеха, Центра коллективного пользования «СКИФ» и Университета Эрлангена — Нюрнберга (Германия).
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
