Физики синтезируют за секунды керамику для нанесения термобарьерных покрытий на лопатки газотурбинных двигателей
- 20.02.2025
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) и Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали технологические приемы сверхскоростного синтеза высокоэнтропийной керамики с применением пучка быстрых электронов. Специалистам 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. Данная 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.
Изображение одиночной капли (а), капли с поперечным сколом (б) и сканирующая электронная микроскопия фрагмента (в) синтезированной высокоэнтропийной керамики в мощном пучке быстрых электронов. Предоставлено авторами статьи.
«Конструирование новых видов керамики с высокой энтропией позволяет получать материалы с недостижимыми ранее свойствами, – прокомментировал 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.
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.
«В этой связи вопросы разработки эффективных малоэнергоемких технологий получения высокоэнтропийной керамики являются актуальной задачей современного материаловедения, и в России этому направлению уделяется большое внимание, – добавил Сергей Гынгазов. – ТПУ и ИЯФ выполняют совместную работу по реализации нестандартного подхода к синтезу подобной керамики – методами нагрева быстрыми электронами на воздухе на промышленном ускорителе. Если все известные в мировой литературе методы получения высокоэнтропийной керамики характеризуются сложностью, длительностью и высокой энергоемкостью буквально всех технологических циклов, то ускоритель электронов ИЯФ СО РАН дает возможность процесс синтеза проводить за несколько секунд. Учитывая высокий КПД ускорителя (около 80%), можно говорить о сокращении на несколько порядков времени и энергетических затрат на операцию синтеза высокоэнтропийной керамики».
На данном этапе специалистам удалось синтезировать образцы керамики с уникальными прочностными и теплозащитными свойствами. На синтез ушло от 1 до 10 секунд.
«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».
Медные формы с помещенной в них порошковой смесью исходных реагентов до и после обработки мощным пучком быстрых электронов. Фото предоставлено авторами статьи.
На данном этапе отработаны технологические режимы синтеза и определена их взаимосвязь с техническими характеристиками получаемой методом электронно-лучевой обработки высокоэнтропийной керамики.
«Мы создали научные основы сверхскоростного синтеза оксидной высокоэнтропийной керамики, предназначенной для нанесения термобарьерных покрытий на конструкционные элементы, например, лопатки газотурбинных авиационных двигателей, – добавил Сергей Гынгазов. – Впервые не более чем за десять секунд были синтезированы образцы высокоэнтропийной керамики, содержащие редкоземельные оксиды. Именно они обуславливают приобретение покрытиями на ее основе уникальных прочностных и теплозащитных свойств. Электронно-лучевая технология синтеза, которую удалось реализовать на ЭЛВ-6, может быть положена в основу технологии получения сверхсложных керамических материалов. Дальше мы будем совершенствовать ее, а также планируем разработать электронно-лучевую технологию сверхскоростного синтеза, пожалуй, самой популярной в мировой науке высокоэнтропийной керамики со структурой перовскита. Эти материалы имеют огромные перспективы применения в промышленности для изготовления устройств преобразования солнечной энергии в электрическую».
Работы проводятся в рамках проекта РНФ «Высокоэнтропийные керамики, синтезированные методом нагрева быстрыми электронами на воздухе: механизм синтеза, микроструктура, свойства» № 23-79-00014.