Сибирские ученые разработали быстрый синтез керамики для лопаток газотурбинных двигателей

Специалистам Томского политехнического университета (ТПУ) и Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) удалось получить материал на основе оксидной керамики с уникальными прочностными и теплозащитными свойствами. Области применения такой керамики разнообразны –  от электроники и ядерной физики до катализа и биомедицины. 

Схема и фото элементов устройства для переработки порошка с мощным пучком быстрых электронов: 1 – промышленный ускоритель ЭЛВ-6; 2 – устройство для выпуска электронного пучка в атмосферу; 3 – устройство сканирования электромагнитного луча; 4 – медная кювета с порошком для обработки; 5 – стол для перемещения кюветы под электронный луч. Изображение: Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН.

Работа нацелена на производство термобарьерных покрытий для конструкционных элементов газотурбинных двигателей самолетов. Синтез керамики проводился на УНУ Стенд ЭЛВ-6 – промышленном ускорителе электронов ИЯФ СО РАН, который позволяет изготавливать материал с нужными характеристиками за несколько секунд. 

Результаты опубликованы в журнале Ceramics International. Работы ведутся при поддержке гранта РНФ.

Синтез и спекание высокоэнтропийной керамики – активно развивающееся направление в керамическом материаловедении. Особенность таких материалов в том, что они представляют собой так называемый твердый раствор не менее пяти неорганических соединений. Синтез пяти исходных компонентов позволяет создавать единое химическое соединение, которому свойственна высокая энтропия, вызванная неупорядоченным расположение элементов в кристаллической решетке материала. Высокое значение этой термодинамической характеристики делает материал более стабильным и устойчивым к внешним воздействиям.

Конструирование новых видов керамики с высокой энтропией позволяет получать материалы с недостижимыми ранее свойствами, рассказал ведущий научный сотрудник ТПУ доктор технических наук Сергей Гынгазов. 

«Сверхвысокая прочность, высокая теплостойкость, низкая теплопроводность, колоссальная диэлектрическая проницаемость, суперионная проводимость, сильный анизотропный коэффициент теплового расширения, сильное поглощение электромагнитных волн и т. д. Эти свойства определяют широту и перспективы использования высокоэнтропийной керамики. То есть такие материалы востребованы во всех областях промышленности, инженерии, материаловедения».

Подобная керамика создается при помощи технологий синтеза, но все известные на данный момент его способы занимают много времени. Например, процесс твердофазного синтеза высокоэнтропийной керамики может составлять десятки часов и включать в себя множество дополнительных энергоемких стадий.

УНУ Стенд ЭЛВ-6, на котором мы отрабатывали технологию синтеза, это уникальная установка, единственная в мире, где мощный непрерывный электронный пучок выпускается в атмосферу, пояснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Михаил Голковский. 

«Характеристики пучка – его диаметр на материале (1 см), облучаемая площадь варьируется за счет сканирования пучка по поверхности материала, плотность мощности в пучке (до 80 кВт на кв см) – позволяют нам синтезировать материал за 1 секунду. То есть из порошка, который представляет собой смесь разных составов, мы очень быстро и без лишних технологических этапов за секунды получаем монолитный материал, состоящий из единого химического соединения. Управляют установкой и совершенствуют ее инженер-исследователь ИЯФ СО РАН Иван Чакин и научный сотрудник ИЯФ СО РАН Евгений Домаров».

На данном этапе отработаны технологические режимы синтеза и определена их взаимосвязь с техническими характеристиками получаемой методом электронно-лучевой обработки высокоэнтропийной керамики.