Российские и китайские исследователи разработали способ увеличить срок службы деталей из ниобиевых сплавов в 25 раз. Для этого они создали сверхпрочное покрытие, обладающее эффектом «самозалечивания» дефектов. Данная технология устраняет уязвимость металлов к окислению при высоких температурах. Новый материал значительно улучшает стойкость изделий к износу и экстремальным термическим воздействиям. В роли исходного материала ученые использовали переработанные промышленные отходы — нагревательные элементы силитовых печей, которые являются одними из самых популярных тепловых установок в мире.
Как защитить ниобиевые сплавы от поврежденийКоманда ученых из Университета МИСИС при сотрудничестве с китайскими коллегами создала покрытие, способное увеличить износостойкость изделий из ниобиевых сплавов в 25 раз, сообщили «Известиям» в Минобрнауки РФ. Кроме того, обработанные таким составом детали заметно лучше выдерживают сверхвысокие температуры.
— На ниобиевой подложке мы сформировали покрытие, которое препятствует проникновению атомов кислорода внутрь материала. Это предотвращает окисление при высокотемпературных режимах и замедляет разрушение, — пояснил заведующий кафедрой порошковой металлургии и функциональных покрытий, директор Научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (НУЦ СВС) МИСИС-ИСМАН, член-корреспондент РАН Евгений Левашов.
Фото: пресс-служба НИТУ МИСИС директор Научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (НУЦ СВС) МИСИС-ИСМАН, член-корреспондент РАН Евгений ЛевашовОн отметил, что ниобиевые сплавы в промышленности ценят из-за их способности выдерживать экстремальные эксплуатационные условия — агрессивные среды, высокие давления и значительные тепловые нагрузки. Их применяют в ответственных узлах газотурбинных двигателей, оборудовании для перекачки нефти, емкостях для расплавленного металла, электрических конденсаторах, а также в некоторых элементах конструкции космических аппаратов.
Тем не менее, такие материалы имеют и свои недостатки. При сильном нагреве и наличии кислорода они быстро разрушаются. Поэтому ученые разработали специальный состав для защиты. В качестве реагента была использована смесь на основе соединений молибдена и кремния, которую нанесли на ниобиевую подложку методом искрового плазменного спекания — обработки постоянным током.
— В процессе спекания между покрытием и подложкой формируется прочная диффузионная зона, в которой атомы подложки и покрытия перемешиваются. Эта область обеспечивает рекордную жаропрочность и устойчивость к циклическим тепловым нагрузкам, — добавил соавтор работы, профессор кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий, заведующий лабораторией «In situ диагностика структурных превращений» НУЦ СВС, д.т.н. Филипп Кирюханцев-Корнеев.
Уникальный метод утилизации промышленных отходовКроме того, исследователи подчеркнули, что новое покрытие благодаря слоистой структуре обладает способностью самозалечивать дефекты. Эта особенность связана с формированием жидкой или пластичной фазы в процессе окисления, которая заполняет образующиеся трещины.
— При нагреве и охлаждении металл имеет больший коэффициент расширения, чем керамическое покрытие, из-за чего могут возникать трещины. Для решения этой проблемы в материал вводят компоненты, образующие боросиликатное стекло при рабочих температурах. Это стекло обеспечивает эффект самозалечивания, поскольку при высоком нагреве становится текучим, заполняет дефекты и герметично их закрывает, — пояснил Евгений Левашов.
Фото: пресс-служба НИТУ МИСИСПри этом в качестве сырья для получения порошка ученые применили отработанные силитовые нагреватели, изготовленные из дисилицида молибдена. Эти нагревательные элементы считаются наиболее распространенными в промышленных печах.
Эксперты подсчитали, что силитовые нагреватели занимают около 60% мирового рынка подобных установок, поэтому разработанная технология открывает новый путь утилизации промышленных отходов.
— Материалы, способные адаптироваться и функционально реагировать на внешние воздействия, сегодня становятся ориентиром для металлургии и материаловедения. Среди современных разработок — сплавы с памятью формы, термоотзывчивые соединения, магниточувствительные сплавы, самовосстанавливающиеся композиты и другие, — отметил «Известиям» профессор кафедры химии Уральского государственного горного университета Рафаил Апакашев.
Он добавил, что российские научно-исследовательские институты и научно-производственные объединения активно внедряют умные материалы в космическую и авиационную технику. Созданный материал может быть полезен, например, в атомной энергетике для защиты оболочек тепловыделяющих элементов, трубопроводов и систем охлаждения реакторов, а также в космической индустрии при изготовлении передних кромок летательных аппаратов, обтекателей космических кораблей и антенн спутников.
Фото: пресс-служба НИТУ МИСИСК недостаткам метода эксперт отнес сложность организации производства из-за необходимости специального оборудования и подготовки поверхности перед нанесением, отметил он.
— Ранее создавали универсальные материалы, сейчас же разрабатывают изделия с точным пониманием условий эксплуатации. Поэтому термин «умный» разумнее заменить на «функциональный», — полагает 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 являются тугоплавкими, жаростойкими и жаропрочными, с температурой плавления около 2468 °С. Поэтому покрытия на них наносят для использования в уникальных типах оборудования, к примеру, в современной военной технике.
— Ресурсы для улучшения эксплуатационных характеристик известных материалов уже значительно исчерпаны, и дальнейшее развитие возможно лишь за счет оригинальных (функциональных) решений. Такие «самозалечивающиеся» покрытия могут найти широкое применение в машиностроении и энергетике, в деталях, работающих при высоких температурах в агрессивной среде, — добавил доцент кафедры термообработки и физики металлов Уральского федерального университета Степан Степанов.
Фото: пресс-служба НИТУ МИСИСОн отметил, что применение таких покрытий в ответственных изделиях потребует длительных испытаний и апробации в реальных условиях.
— Защитные покрытия нового поколения, разработанные учеными, обладают высокой твердоcтью — до 15–16 ГПа, а их износостойкость в десятки раз превышает таковую металлов-основ. При температурах около 1200 °С они сохраняют целостность, в то время как обычные сплавы под воздействием таких условий быстро разрушаются, — отметил доцент, заведующий кафедрой ЮНЕСКО «Новые материалы и технологии» и базовой кафедрой физики твердого тела и нанотехнологий Сибирского федерального университета Игорь Карпов.
Он добавил, что благодаря эффекту «самозалечивания» обработанные детали не только сопротивляются окислению и трению, но и восстанавливают повреждения, что значительно увеличивает срок их эксплуатации. Это исследование открывает возможности для создания функциональных материалов, способных длительное время работать даже в самых суровых условиях.