Ученые ТПУ отследили, как меняется поведение многослойных композитов при экстремальных температурах

Ученые Томского политехнического университета 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.

Создание материалов, способных работать при экстремальных температурах и высокой механической нагрузке, — одна из задач современной авиации, ракетостроения и энергетики. Перспективной технологией считается создание керамики на основе MAX-фаз. Благодаря своим свойствам она устойчива к тепловым ударам и обладает хорошей стойкостью к окислению. Однако такие материалы склонны к хрупкому разрушению при комнатной температуре. Для решения этой проблемы ученые армируют керамику тугоплавкими металлами, например, молибденом, для получения многослойных материалов (ламинатов). Но при высоких температурах металлы в составе ламинатов быстро окисляются и также разрушаются. Ранее поведение внутренних металлических слоев ламинатов и переходных зон между керамикой и металлов в условиях реального высокотемпературного окисления изучено не было.

Ученые Томского политехнического университета в составе международной группы провели серию экспериментов с ламинатами со слоистой архитектурой 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 in situ синхротронной рентгеновской дифракции в режиме реального времени отслеживали фазовые превращения внутри композита.

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, — отмечает один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем ТПУ Максим Сыртанов.

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.

Увеличение 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 после12 часов, а через 96 часов композит частично разрушается.

Результаты исследований в будущем могут лечь в основу создания 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 Фридриха-Александра Эрланген-Нюрнберга (Германия).

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (№ 23‑19‑00109‑П). Результаты работы ученых опубликованы в журнале Corrosion Science.

Фото: Томский политех

Источник: Минобрнауки России