Без лишних швов: новый материал в 25 раз повысит живучесть жаростойких деталей

Следите за нашими новостями в удобном формате Есть новость? Присылайте!

Российские и китайские ученые нашли способ в 25 раз увеличить долговечность деталей из ниобиевых сплавов. Они создали сверхпрочное покрытие, которое обладает эффектом «самозалечивания» дефектов. Разработка устраняет уязвимость металлов к окислению при сильном нагреве. Новый материал повышает устойчивость изделий к износу и экстремальным температурам. В качестве исходного сырья разработчики использовали переработанные промышленные отходы — нагревательные элементы силитовых печей — наиболее популярных в мире тепловых установок.

Как защитить ниобиевые сплавы от разрушения

Ученые из Университета МИСИС в сотрудничестве с коллегами из Китая создали защитное покрытие, которое в 25 раз увеличивает износостойкость изделий из ниобиевых сплавов. Об этом «Известиям» рассказали в Минобрнауки РФ. Также обработанные предложенным составом детали в разы лучше переносят сверхвысокие температуры.

— На подложках из ниобиевого сплава мы создали покрытие, которое препятствует проникновению атомов кислорода вглубь материала. Это предотвращает окисление при высоких температурах и дальнейшее разрушение, — сообщил заведующий кафедрой порошковой металлургии и функциональных покрытий, директор Научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (НУЦ СВС) МИСИС-ИСМАН, член-корреспондент РАН Евгений Левашов.

директор Научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (НУЦ СВС) МИСИС-ИСМАН, член-корреспондент РАН Евгений Левашов

Он объяснил, что в промышленности ниобиевые сплавы ценят за их способность выдерживать экстремальные условия эксплуатации — агрессивные среды, высокие давления и сильные термические нагрузки. Например, их используют в ответственных узлах в газотурбинных двигателях, в оборудовании для перекачки нефти, в емкостях для расплавленного металла, в электрических конденсаторах, а также в отдельных элементах конструкции космических кораблей.

Однако у этих материалов есть и слабые места. В частности, при сильном нагреве в окислительной среде (например, в присутствии кислорода), они быстро портятся и разрушаются. Поэтому, чтобы сделать детали более долговечными, ученые создали особый защитный состав. В качестве реагента разработчики использовали смесь на основе химического соединения молибдена и кремния, которую нанесли на ниобиевую подложку методом искрового плазменного спекания — техники обработки материалов с помощью постоянного тока.

— При спекании между покрытием и подложкой формируется прочная диффузионная зона. В ней атомы подложки перемешиваются с атомами нанесенного покрытия. Эта область позволяет достичь рекордной жаростойкости и устойчивости к циклическим тепловым нагрузкам, — пояснил соавтор научной работы, профессор кафедры ПМиФП, заведующий лабораторией «In situ диагностика структурных превращений» НУЦ СВС, д.т.н. Филипп Кирюханцев-Корнеев.

Новый метод утилизации промышленных отходов

Причем, как отметили исследователи, за счет образования слоистой структуры новое покрытие обладает эффектом самозалечивания дефектов. Это достигается за счет образования жидкой или пластичной фазы в процессе окисления материала, которая затекает в образовавшиеся трещины и заполняет их.

— При нагреве и охлаждении металл расширяется и сжимается сильнее, чем керамическое покрытие. Из-за этой разницы в покрытии могут появляться трещины. Чтобы решить эту проблему, в материал добавляют компоненты, которые при рабочих температурах образуют боросиликатное стекло. Оно и обеспечивает эффект самозалечивания. Оно обладает уникальными природными свойствами: при большом нагреве становится текучим, заполняет дефекты и надежно запечатывает их, — объяснил Евгений Левашов.

Она добавил, что, в качестве сырья для получения порошка разработчики использовали отработавшие силитовые нагреватели. Эти тепловые источники изготавливают из дисилицида молибдена. Они считаются самыми популярными рабочими элементами для промышленных печей.

По оценкам экспертов, такие устройства занимают порядка 60% мирового рынка нагревательных установок. Поэтому значение предложенной технологии — в создании нового метода утилизации промышленных отходов.

— Материалы, которые способны к адаптации и функциональному реагированию на внешние факторы, в настоящее время становятся ориентиром для металлургии и материаловедения. Современные разработки в этой области включают, например, сплавы с эффектом памяти формы, термоотзывчивые соединения, магниточувствительные сплавы, самовосстанавливающиеся композиты и другие, — рассказал «Известиям» профессор кафедры химии Уральского государственного горного университета Рафаил Апакашев.

Российские НИИ и научно-производственные объединения активно используют умные материалы, внедряя их в космические и воздушные летательные аппараты, отметил он. Представленное решение может быть востребовано, например, в атомной энергетике для создания защиты оболочек тепловыделяющих элементов, трубопроводов и компонентов систем охлаждения ядерных реакторов. В космической технике — при изготовлении передних кромок летательных аппаратов, обтекателей кораблей и антенн спутников.

К недостаткам разработки стоит отнести сложность организации производства из-за использования специализированного оборудования, необходимость специальной подготовки поверхности перед нанесением и другие, добавил эксперт.

— Ранее создавали материалы общего, универсального применения. А сейчас — с четким пониманием, в каких условиях эксплуатации они будут работать. Потому определение «умный» правильно заменить на «функциональный», — считает профессор кафедры материаловедения, сварки и производственной безопасности Казанского национального исследовательского технического университета имени А.Н. Туполева — КАИ, д.т.н Татьяна Ильинкова.

По ее словам, ниобиевые сплавы — сами по себе тугоплавкие и, соответственно, жаростойкие и жаропрочные сплавы. Температура плавления ниобия — 2468 °С. Поэтому, если требуется нанести на них еще и защитные покрытия, значит, они будут использоваться в каких-то уникальных видах оборудования. Такие материалы пригодятся, в частности, для современной военной техники.

— Ресурс повышения эксплуатационных свойств уже известных материалов в настоящее время во многом исчерпан. Дальнейшее развитие возможно за счет поиска оригинальных (умных) решений. Представленные «самозалечивающиеся» покрытия могут быть востребованы в машиностроении и энергетике, в изделиях, рассчитанных на работу при высоких температурах в агрессивной среде, — прокомментировал доцент кафедры термообработки и физики металлов, Уральского федерального университета Степан Степанов.

Однако, такое ответственное назначение изделий потребует длительных процедур аттестации свойств покрытие и их апробации в реальных условиях, добавил он.

— Разработанные учеными уникальные защитные покрытия нового поколения оказались исключительно прочными — их твердость достигает 15–16 ГПа, а устойчивость к износу в десятки раз выше, чем у металлов-основ. При испытаниях при 1200 °C материалы сохраняли целостность, тогда как обычные сплавы при таких условиях быстро разрушаются, — отметил доцент, завкафедрой ЮНЕСКО «Новые материалы и технологии» и базовой кафедрой физики твердого тела и нанотехнологий Сибирского федерального университета Игорь Карпов.

По его словам, благодаря эффекту «самозалечевания» детали, обработанные предложенным способом, могут не только противостоять окислению и трению, но и восстанавливаться, что продлевает срок их службы. Исследование открывает путь к созданию умных материалов, которые смогут работать годами даже в самых суровых условиях.