Сверхтонкая прочность

Композиционные материалы и новые способы их получения, разработанные отечественными учеными, открывают большие возможности для высокотехнологичного производства.

Группа киевских исследователей получила Премию Президента Украины для молодых ученых в 2010 году – «За инновационные технологии целенаправленного управления структурой и свойствами эвтектических сплавов».

В числе разработчиков — Юрий Богомол, доцент кафедры высокотемпературных материалов и порошковой металлургии инженерно-физического факультета Национального технического университета «Киевский политехнический институт».

— Юрий Иванович, прежде всего, напомните читателям «УТГ», что такое эвтектические сплавы.

— Известно, что разные материалы взаимодействуют различным способом. Они могут растворяться друг в друге или не растворяться вообще. Могут образовывать химические соединения. В металловедении это описывается диаграммами состояний – в зависимости от температуры, количества компонентов. Так вот, замечено, что при смешивании их в определенном соотношении температура плавления смеси резко понижается. К примеру, для одного чистого компонента она составляет 3100 – 3200 °С, другого – 2800 °С, а данный показатель для их смеси оказывается 2400 °С. Если дать общее определение, то эвтектика (от греч. eutektos – легко плавящийся) – это тонкая смесь кристаллов, одновременно закристаллизовавшихся из расплава при температуре ниже температуры плавления отдельных компонентов.

Это явление позволяет использовать некоторые тугоплавкие материалы для создания композитов с новыми свойствами. Привычные для техники материалы уже исчерпывают свой потенциал, они не могут удовлетворять современные всевозрастающие требования. А ведь нужно увеличивать скорости, температурный режим, прочность. Поэтому все чаще применяются композиты – полимерные, металлические, керамические. Мы в своих исследованиях занимаемся керамическими композиционными материалами – боридами, карбидами, нитридами. Все они весьма перспективны для использования при высоких температурах. Переход к композитам неизбежен, потому что «чистая» керамика, при всех своих плюсах, имеет большой недостаток – она хрупкая, что не позволяет широко использовать ее напрямую. Поэтому задача создателей композиционных материалов – сделать керамику прочной. Один из методов такого упрочнения – бестигельная зонная плавка – исследуется в нашей лаборатории.

Порошковый LaB6 (гексаборид лантана) мы смешивали с диборидом одного из переходных металлов. Оказалось, что при особых условиях нагрева двух компонентов эвтектический сплав не просто кристаллизуется. В нем образуются кристаллические структуры из диборидов, напоминающие тонкие волокна. Они как бы армируют материал, словно металлический каркас в железобетоне. Это делает композит намного более прочным, чем каждый из исходных компонентов. Теория подсказывает, что уменьшение размеров волокон ведет к увеличению прочности материала в целом. За счет такой технологии мы получаем значительный прирост свойств.

— Каких именно?

— Прежде всего, это механическая прочность. К примеру, если гексаборид лантана, используемый в электронике, имеет прочность около 100 мегапаскалей, то армированный подобными микроволокнами – 1000 – 1500 мегапаскалей. Это уровень хорошей стали. Еще один плюс таких керамических сплавов – они сохраняют прочность до очень высоких температур – 1600 °С, в то время как сталь плавится уже при 1539 °С. Положительное качество керамики еще в том, что у нее отсутствует ползучесть. Сталь же при достаточно высоких температурах начинает терять форму, происходит пластическая деформация, укорачивается срок ее службы. Конечно, еще много проблем надо решить, провести массу испытаний, но направление исследований понятно.

— Каково практическое применение ваших разработок?

— Полученные композиты мы используем и в эмиссионной электронике – для катодных узлов, и как конструкционный материал для электронно-лучевых приборов. Катодный узел может состоять из нескольких частей, и некоторые из них мы делаем не из металлов, а из керамики. Традиционные материалы здесь – вольфрам и молибден. Но температура, при которой начинается эмиссия электронов, у них намного выше. Во-вторых, у них существенно меньше срок службы. И, в-третьих, ползучесть: эмитирующие элементы утрачивают форму, луч теряет фокусировку, его «водит» из-за деформации металла, а в точных приборах это недопустимо – нужны острые тонкие пучки электронов. Замена на керамику сразу дает положительный эффект. Снижается затрачиваемая мощность, улучшаются эмиссионные характеристики (качество пучка электронов), увеличивается срок службы.

— Насколько промышленность Украины нуждается в таких материалах?

— В нашей стране немало крупных заводов, где применяется электронно-лучевая сварка металла. В Киеве, к примеру, это завод им. Антонова, ряд производств Института электросварки им. Патона. Практически везде, где сваривают крупные детали, есть такие установки. Электронный луч — очень эффективный инструмент. Им можно плавить, спекать, сваривать металл, прожигать в нем отверстия. От хорошего катода зависит и качество сварки, и ее скорость. Здесь могут найти применение новые материалы. Управление структурой и свойствами эвтектических сплавов позволяет эффективно их использовать для изготовления износостойких деталей, инструментов, а также электронно-лучевых и газоразрядных устройств электронной техники.

Другая, не менее важная область использования эвтектических сплавов – материалы для изготовления конструкций с определенными свойствами. Одна из многообещающих идей – делать из этих сплавов лопасти газовых турбин.

— Вероятно, такой материал очень дорог, ведь его приходится получать особым способом – путем спекания порошка по сложной технологии…

— Данная технология, конечно, требует специального оборудования, но при переходе к промышленному производству она упростится и станет более дешевой. К тому же сейчас мы ведем опыты по зонному спеканию порошка ниже температуры плавления. По технологии порошковой металлургии этот процесс выполнить будет проще.

— Назовите, пожалуйста, ваших коллег по этой работе.

— Прежде всего, это наш научный руководитель – декан инженерно-физического факультета Петр Иванович Лобода. Он разработчик технологии выращивания монокристаллов и композитов тугоплавких соединений методом бестигельной зонной плавки из неспеченных порошковых прессовок. Поясню: во всем мире для производства монокристаллов используют спеченные или плавленые заготовки. Для тугоплавких материалов это довольно сложная процедура, и Петр Иванович показал, как обойти эту стадию для получения качественного композита.

А из молодых ученых назову Максима Сысоева — он занимается в основном покрытиями из боридных материалов, поверхностным упрочнением деталей, опять-таки при помощи электронного луча. Вместе с нами Премию Президента получили двое ученых из Национальной металлургической академии Украины – кандидаты технических наук Ольга Носко и Татьяна Аюпова. Но у них немного иные темы работ.

— Какое место занимают ваши разработки среди аналогичных в мировой практике?

— Идея о том, что лопасти газовых турбин можно делать из композиционных материалов, достаточно популярна в мире. Газотурбинные двигатели работают при очень высоких температурах, и возможности различных сталей здесь уже исчерпаны. Правда, для замены стали пока чаще применяется оксидная керамика. Она выдерживает большие температуры, но у нее хуже прочностные свойства, чем у гексаборида лантана, армированного волокнами по нашей методике. В этом свете наши разработки весьма перспективны.