Томские ученые создали новый метод формирования упрочняющих покрытий с содержанием бора

В Институте сильноточной электроники СО РАН создан перспективный электронно-ионно-плазменный метод формирования борсодержащих покрытий и слоев материалов, которые могут применяться в аэрокосмическом двигателестроении и атомной энергетике. Ученым удалось приручить капризный бор, добившись стабильно высоких характеристик прочности и износостойкости полученных образцов.

Эти результаты были достигнуты в ходе реализации трехгодичного гранта РНФ (проект № 19-19-00183 ) под руководством главного научного сотрудника лаборатории плазменной эмиссионной электроники Юрия Иванова.

– Бор – очень полезный, но довольно капризный и хитрый химический элемент, – рассказывает Юрий Федорович. Насыщение поверхности нержавеющих сталей бором позволяет использовать их в атомной энергетике: они поглощают нейтроны, тормозят ядерную реакцию. Одно из перспективных применений таких материалов – производство контейнеров для хранения отходов атомных производств. Максимальная концентрация бора в используемых в настоящее время сталях не превышает 1,8 весовых процента, что обусловлено низкой пластичностью материала, легированного бором.

Коллектив лаборатории уже более 20 лет занимается разработкой оборудования и технологий комплексной модификации поверхности материалов с помощью плазменных методов. Благодаря накопленному опыту стало возможным взяться за интересную, но очень сложную задачу, связанную с формированием борсодержащих материалов. Исследователи решили работать не со всем объемом сталей, как это делается обычно, а лишь с 10-30 микронами их поверхностного слоя, которые предстояло превратить в суперброню, неуязвимую ни для высоких и низких температур, ни для трения и износа!

Итогом трех лет работы стало создание методов насыщения поверхностей нержавеющих сталей бором и напыления на их поверхности пленок из боридов тугоплавких металлов (температура плавления которых достигает 3 тысяч градусов °C). Ученым удалось получить несколько типов подобных покрытий, перспективных для использования в космической отрасли, атомной энергетике, для производства высокопрочных подшипников. Все работы проводились на комплексе созданного в ИСЭ СО РАН электрофизического оборудования «УНИКУУМ», который входит в перечень объектов современной научно-технологической инфраструктуры России. Сейчас научный коллектив может предложить промышленности методы формирования таких уникальных покрытий. Разработаны режимы, с помощью которых оператор установки сможет прогнозируемо получать необходимую толщину и элементный состав слоев и покрытий.

В состав исполнителей гранта, кроме руководителя проекта Юрия Иванова, входят: научные сотрудники Ольга Крысина, Владимир Шугуров, Антон Тересов и Мария Петюкевич, младшие научные сотрудники Елизавета Петрикова, Никита Прокопенко, Олег Толкачев и аспирант Иван Ажажа. В этом году ученые получили возможность продлить грант, теперь на два года. Объектом исследований станут высокоэнтропийные сплавы, или ВЭСы, а целью номер один – разработка физических основ технологий модификации их поверхности электронно-ионно-плазменным методами. Это позволит получить борсодержащие нанокристаллические слои в сплаве, а также покрытия на основе боридов тугоплавких металлов.

Как пояснил Ю.Ф. Иванов, высокоэнтропийным называется сплав, в составе кристаллической решетки которого смогли «ужиться вместе» и стать «добрыми соседями» не менее 5 разных химических элементов в равном (эквиатомном) количестве. Высокоэнтропийные сплавы, находясь преимущественно в однофазном состоянии, характеризуются уникальными свойствами, делающими их перспективными для применения в условиях экстремально высоких (аэрокосмическая техника) и низких (Арктика) температур, замечательной износостойкостью, химической и коррозионной стойкостью, способностью сочетать одновременно высокую твердость и высокую пластичность.

Опираясь на ионно-плазменные технологии, научный коллектив из ИСЭ СО РАН разработал метод формирования высокоэнтропийных сплавов в виде пленок и покрытий, используя несколько металлических катодов, каждый из которых выполнен из одного-двух требуемых в составе элементов. Это позволяет управляемо изменять концентрационный и элементный состав получаемых высокоэнтропийных сплавов. В настоящее время коллектив исполнителей гранта разрабатывает метод, позволяющий внедрить в состав высокоэнтропийного сплава атомы бора. Одним из вариантов такого метода является формирование покрытия в виде слоеного пирога, состоящего из пленок высокоэнтропийного сплава, бора и тугоплавкого металла.

Затем вместо духового шкафа изделие отправляется на переплавку этих слоев электронным пучком в установку «СОЛО» (она входит в состав комплекса «УНИКУУМ»). В результате получается материал, твердость и износостойкость которого многократно превышают соответствующие характеристики высокоэнтропийного сплава, не имеющего в своем составе атомов бора. В перспективе в ходе реализации гранта ученые планируют создать метод насыщения высокоэнтропийных сплавов атомами бора совместно с атомами азота. В результате образования нитридов бора исследователи планируют получить материал, по многим параметрам превосходящий алмаз, что позволит использовать его для высокопродуктивной обработки стали в таких отраслях промышленности, как тяжелое машиностроение, автомобилестроение, добывающая промышленность.

Параллельно с грантом РНФ тематика, связанная с высокоэнтропийными сплавами, получила поддержку в рамках выполнения гранта «In situ методы синхротронных исследований многослойных функциональных структур с уникальными параметрами и свойствами, созданных пучково-плазменной инженерией поверхности». Используя синхротронное излучение, участники проекта будут изучать процесс формирования высокоэнтропийных сплавов в реальном времени, т.е. в ходе осаждения атомов на подложку и выстраивания кристаллической решетки.