Ученые физико-технического факультета ТГУ в рамках президентского гранта синтезируют уникальный по составу высокоэнтропийный сплав системы Hf-C-N-Me-B. Исследование поможет получить фундаментальные знания о свойствах таких соединений, в том числе при сверхвысоких температурах – выше 4200°С. Подобная температурная стойкость – одно из ключевых требований для материалов, используемых в аэрокосмической отрасли. 

Потребность в прочных материалах, обладающих сверхвысокой температурой плавления, растет вместе с развитием современных технологий. Поэтому всё больше внимания уделяется высокоэнтропийным сплавам – из-за наличия у них уникальных физико-механических свойств. В мировой промышленности при производстве материалов для эксплуатации в экстремальных условиях сейчас широко применяется многокомпонентное легирование. Это позволяет расширить области применения современных металлических материалов, но в таких сплавах важно правильно подобрать элементы, чтобы сформировать структуру с необходимыми характеристиками.

— Мы решили сосредоточиться на получении жаропрочных материалов и огнеупорных покрытий. Сплавы на основе соединения гафния (Hf) обладают высокой температурой плавления — более 4200°С. Поэтому мы взяли за основу систему Hf-C-N и добавили в нее два компонента: вторичный металл (Ме) и бор (В), которые, предположительно, будут способствовать достижению высоких показателей механических свойств и увеличению жаропрочности сплава в окислительных средах, — рассказал доцент кафедры прикладной аэромеханики ФТФ ТГУ Николай Евсеев.

Николай добавил, что сейчас еще сложно точно спрогнозировать, как именно изменятся свойства сплава относительно образца системы Hf-C-N, но очевидно, что в результате появится уникальный материал, который необходимо тщательно исследовать.

Получение таких материалов представляет одну из ключевых задач для аэрокосмической отрасли, где стойкость к воздействию высоких температур является одним из ключевых требований. Основные тепловые и механические нагрузки приходятся на переднюю часть ракет, реактивные двигатели и крылья самолетов. Особенно это касается воздушно-космических кораблей, которые предназначены для многократных полетов. Ведь при выходе и повторном входе в атмосферу температура может достигать от 2000°С до 4000°С.

— Сам процесс синтезирования сплава достаточно кропотливый, трудоемкий и непредсказуемый. Начинается всё с подготовки смеси исходных порошков, где концентрация каждого элемента не должна превышать 35 ат. % и не должна быть меньше 5 ат. %. Далее смесь помещается в реактор высокого давления, осуществляется зажигание смеси и в результате самораспространяющегося высокотемпературного синтеза образуется новый сплав, — объяснил Николай Евсеев.

Появление подобных сплавов еще в 2015 году предсказали исследователи из США. Они установили, что материал на основе гафния, углерода и азота (Hf-C-N) будет иметь температуру плавления более 4200°C. В 2019 году коллективу российских учёных (МИСиС) удалось синтезировать разновидность карбонитрида гафния с химической формулой HfC0.5N0.35, температура плавления которого оказалась выше 4200°C. Задача ученых ТГУ – получить сплав уникальной системы Hf-C-N-Me-B с экстремальной температурой плавления и изучить его структуру и физико-механические свойства.

Проект реализуется в рамках Президентского гранта по поддержке молодых ученых. Гранты ежегодно назначаются в размере 600 тысяч рублей в год для кандидатов наук и 1 млн рублей в год для докторов наук, сроком на два года.