Новое покрытие для высокотемпературных сплавов в авиации

Современная авиационная промышленность пережила значительные изменения за последнее столетие, и инженеры-материаловеды внесли в это существенный вклад. Известно, что увеличение рабочей температуры металлических материалов позволяет повысить скорость самолетов и снизить расход топлива.

Исследования в области высокотемпературных материалов напрямую связаны с улучшением характеристик летательных аппаратов и активно ведутся по всему миру с 1940-х годов. На протяжении более 80 лет никелевые сплавы являлись основным выбором для применения в условиях высоких температур. Для их использования при еще более высоких температурах на них наносили керамические покрытия. Однако из-за присущего никелевым сплавам размягчения их рабочая температура не могла превышать примерно 1100 °C.

В последние годы высокоэнтропийные сплавы, представляющие собой смесь различных металлических и других элементов с желаемыми свойствами, стали многообещающей альтернативой для экстремальных условий. В частности, применение инновационных покрытий на новых высокоэнтропийных сплавах позволяет использовать эти материалы при значительно более высоких температурах.

Команда исследователей из Республики Корея под руководством профессора материаловедения и инженерии Национального университета Ханбат Джунсик Пака продемонстрировала превосходные характеристики окисления стабильных нанозернистых слоев покрытия, полученных путем последовательного двухэтапного B и Si пакетного цементационного покрытия высокоэнтропийных сплавов TiTaNbMoZr. Их новаторские результаты были опубликованы в Journal of Materials Research and Technology.

В ходе исследования ученые сравнили нанесение покрытия методом Si-пакетного цементации и последовательного B–Si-пакетного цементационного покрытия на сплав TiTaNbMoZr. Они обнаружили, что не только литой необработанный сплав подвергся сильному окислению при 1300 °C, но и высокоэнтропийный сплав с Si-пакетным цементационным покрытием показал образование трещин из-за окисления Zr-богатого XSi2 до ZrO2, что нарушило целостность покрытия.

Интересно, что высокоэнтропийный сплав TiTaNbMoZr с B–Si-пакетным цементационным покрытием сформировал структурно стабильный поверхностный слой, состоящий из XB2, XSi2 и X5SiB2, демонстрируя превосходную стойкость к окислению даже при очень высоких температурах. Более того, в то время как литой сплав и сплав с Si-пакетным цементационным покрытием показали значительный прирост массы после окисления при 1300 °C в течение 10 часов, их аналог с B–Si-пакетным цементационным покрытием продемонстрировал существенно меньший прирост массы в тех же условиях. Кроме того, после формирования защитного оксидного слоя было отмечено очень низкое значение параболической константы скорости.

Ключевым моментом данного исследования является то, что даже после воздействия экстремально высокой температуры в 1300 °C слой покрытия недавно разработанных высокоэнтропийных сплавов сохраняет свою наноструктуру, эффективно защищая подложку. Это первое исследование, демонстрирующее подобное поведение.

«В настоящее время никелевые сплавы, используемые в ракетах, могут работать при температуре около 1100 °C, но результаты нашего исследования показывают, что новый материал может выдерживать температуры, значительно превышающие этот предел», — подчеркивает профессор Пак. Этот материал может применяться для компонентов, подвергающихся воздействию высокотемпературного пламени, таких как в истребителях и ракетах. Применение покрытия на различных высокотемпературных конструкционных материалах открывает широкие возможности как для оборонных целей, так и для других областей высокотемпературной инженерии.

«В целом, наши результаты подтверждают потенциал высокоэнтропийных сплавов для использования в условиях высоких температур и подчеркивают критическую роль выбора подходящих стратегий покрытия, адаптированных к составу сплава», — заключает профессор Пак.