Керамика на основе карбида гафния и карбида циркония — класс материалов, которые отлично подходят для работы в условиях сверхвысоких температур и агрессивных сред.

Образец сплава с высокоэнтропийным тонкоплёночным керамическим покрытием после испытания при температуре до 1100°C. Фото предоставлено пресс-службой Томского политехнического университета.

Сотрудники Томского политехнического университета работают над созданием принципиально новых многослойных покрытий, способных выдерживать сверхвысокие температуры в условиях агрессивной среды. Они остановились на концепции энтропийной стабилизации многокомпонентных карбидов. Этот процесс подразумевает повышение устойчивости материалов благодаря увеличению хаотичности их структуры (росту энтропии системы). Чтобы добиться «эффекта коктейля», нужно создать сплав минимум из пяти разных элементов — только тогда свойства каждого компонента смогут дополнить и усилить друг друга. Энтропийная стабилизация материала позволяет замедлить образование дефектов в структуре при высоких температурах, а также повышает его теплопроводность и механическую прочность.

Особенно интересны тонкоплёночные высокоэнтропийные покрытия, которые могут служить промежуточными слоями между покрытиями разных типов. Например, между термобарьерным покрытием (из оксидов циркония и иттрия) и термостойкой подложкой из сплава никеля и хрома. Такие сплавы демонстрируют чрезвычайную устойчивость к отслаиванию во время термических циклов.

Обычно для приготовления высокоэнтропийных карбидных «коктейлей» используют добавки из тантала, ниобия и титана. Сплавы с другими металлами пока изучены гораздо меньше. Материаловеды из Томского политеха исследовали возможность создания высокоэнтропийного сплава из карбидов циркония и гафния с помощью добавок алюминия, хрома и тантала. Такое сочетание металлов, как оказалось, эффективно стабилизирует тугоплавкую карбидную матрицу материала.

Покрытия осаждались на подложки методом магнетронного напыления, и полученные образцы испытали на окисление при температуре до 1100°C.

Синтезированные покрытия показывают лучшую стойкость к окислению по сравнению с материалами на основе нелегированных карбидов гафния и циркония (до 20 раз) и сплавами, отдельно легированными алюминием и хромом (до 7 раз). В перспективе подобные покрытия можно применять для элементов авиационной и аэрокосмической техники.

Результаты работы опубликованы в журнале Ceramics International.

Исследование поддержано грантом РНФ (№ 22-79-10069).

№7, 2025