Ученые Томского политеха совершили прорыв, впервые создав образцы сверхтвердых материалов нового поколения — высокоэнтропийных боридов. Им удалось это сделать оригинальным способом, используя разработанный в университете дуговой реактор. Главное преимущество в том, что синтез проходил на открытом воздухе, без дорогостоящих вакуумных камер и инертных газов. Свойства полученных материалов не уступают, а по некоторым параметрам даже превосходят образцы, созданные традиционными, более сложными методами.

Это открывает дорогу для перспективного и экономичного производства материалов для металлургии, машиностроения и аэрокосмической отрасли. Результаты работы опубликованы в авторитетном международном журнале International Journal of Refractory Metals and Hard Materials и поддержаны грантом Российского научного фонда.

Что же это за материалы? Высокоэнтропийные бориды — это новый класс сверхпрочной керамики, в составе которой четыре или более металлов, а также бор. Их ключевые свойства просто впечатляют:

• Невероятно высокая температура плавления — свыше 3000 °C.
• Экстремальная твердость и стойкость к коррозии и окислению.

До сих пор существовало два основных метода их получения, но оба имеют серьезные недостатки. Это дорогие и энергоемкие процессы, требующие:

• Специального оборудования и сырья.
• Высоких температур и давлений.
• Инертной газовой среды или вакуума.

При этом многие аспекты синтеза до конца не изучены, и промышленного производства таких материалов в мире пока нет.

Ученые ТПУ предложили альтернативу — безвакуумный электродуговой синтез. Идея в использовании дугового разряда, который за короткое время создает чудовищно высокие температуры. Для этого нужно стандартное, доступное оборудование.

Один из известных высокоэнтропийных боридов впервые был получен безвакуумным электродуговым методом, — рассказывает заведующий лабораторией перспективных материалов энергетической отрасли Александр Пак. — Мы провели серию экспериментов, чтобы определить оптимальные условия для синтеза борида из порошков титана, циркония, ниобия, гафния, тантала и аморфного бора. В этот раз мы использовали более мощный трехфазный дуговой реактор, который может перерабатывать большие объемы сырья.

Исследователям удалось выявить ключевые параметры для успешного синтеза. Наилучшие результаты показали следующие условия:

После синтеза порошков из них методом искрового плазменного спекания создали объемные образцы керамики и изучили их свойства.

Наши результаты доказывают, что порошки, полученные безвакуумным методом, отлично подходят для создания монолитной керамики, — добавляет младший научный сотрудник лаборатории Арина Свинухова. — Ее твердость сопоставима с образцами, сделанными из порошков, полученных альтернативными методами, а в некоторых случаях даже выше, чем у аналогов, описанных в литературе.

Этот метод — быстрый и эффективный способ проверки гипотез о синтезе новых видов высокоэнтропийных боридов. Ученые планируют продолжить работу и синтезировать как уже известные, так и новые, гипотетически предсказанные соединения.

Реальная польза этого исследования лежит в области экономики и технологической независимости. Если традиционные методы синтеза подобных материалов можно сравнить с ювелирной работой в стерильной лаборатории, требующей золотых вложений, то подход ТПУ — это попытка наладить «кузнечное» производство с помощью надежного и доступного инструмента. Это открывает путь к созданию недорогих жаропрочных покрытий для лопаток газовых турбин и двигателей, сверхтвердых износостойких элементов для станков и бурового оборудования, компонентов для гиперзвуковых летательных аппаратов. В перспективе это может снизить стоимость конечной продукции в стратегических отраслях и сделать производство таких материалов доступным не только для исследовательских центров, но и для промышленных предприятий.

Основное замечание касается масштабируемости и контроля качества. В статье указано, что метод позволяет перерабатывать «увеличенные объемы сырья», но не приведены конкретные цифры. Остается открытым вопрос: насколько однородными и воспроизводимыми будут свойства синтезированного порошка от партии к партии при увеличении объема с лабораторных (граммы) до промышленных (килограммы)?

Высокоэнтропийные материалы ценны именно стабильностью своей сложной структуры. Дуговой синтез на открытом воздухе, при всей своей эффективности, может приводить к микропорам, локальным окислам или неоднородному распределению элементов, что сложно контролировать. Прежде чем метод станет реальной альтернативой, необходимо доказать, что он обеспечивает стабильно высокое качество продукта в больших масштабах.

Ранее ученые предложили сверхэффективный метод синтеза пентаборида вольфрама.