Ученые выяснили, что материалы на основе титана, алюминия и азота (так называемые макс-фазы), сочетающие свойства металла и керамики, при капиллярном взаимодействии с расплавами меди локально распадаются и впитывают расплав. В результате образуется композиционный материал с повышенной твердостью и износостойкостью. Подобные исследования на других макс-фазах с алюминием показали, что процессы распада имеют одинаковый характер и приводят к формированию структур типа «кермет» — керамических каркасов, пропитанных алюминиевой бронзой. Знания об изученных процессах при контакте расплавов меди с макс-фазами будут полезны при разработке новых материалов и формировании прочных и долговечных металлокерамических соединений, востребованных в электротехнике, авиации и машиностроении. Результаты исследования, поддержанногоexternal link, opens in a new tab грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованыexternal link, opens in a new tab в журнале Composite Interfaces.
В аэрокосмической промышленности, энергетике и машиностроении востребованы материалы, способные выдерживать высокие температуры, давление и механические нагрузки. Такими свойствами обладают макс-фазы — соединения, сочетающие лучшие качества металлов и керамики. Они хорошо проводят тепло и электричество, подобно металлам, при этом отличаются высокой прочностью при нагреве и износостойкостью, как керамики. Однако они пока широко не применяются в производстве из-за того, что нет технологии для надежного соединения макс-фаз с металлами, которые традиционно используются в конструкциях любой техники. Это связано с тем, что до сих пор не до конца изучено, что происходит в месте соприкосновения этих материалов с различными расплавами.
Исследователи из Национального исследовательского технологического университета «МИСИС» (Москва) и Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения имени А.Г. Мержанова РАН (Черноголовка) изучили, как расплавы меди взаимодействуют с макс-фазой на основе титана, алюминия и азота.
Схема фазового превращения, вызванного расплавленной медью на поверхности макс-фазыИсследователи помещали отполированные пластины макс-фаз в специальную вакуумную камеру и сбрасывали на них капли расплавленной меди при температурах от 1085°C до 1200°C. Процессы капиллярного взаимодействия наблюдали с помощью высокоскоростной камеры и скоростных тепловизионных измерений.
Оказалось, что при контакте с медью стабильная структура макс-фазы начинает разлагаться на твердые частицы нитрида титана, а также атомы алюминия, которые переходят в медный расплав. Это приводит к тому, что объем макс-фазы уменьшается, из-за чего в ней формируются микрополости. Медный расплав активно заполняет их, впитываясь в материал. При этом авторы измеряли скорость поглощения меди и ее зависимость от температуры. Оказалось, что процесс распада и впитывания происходит контролируемо: его можно регулировать с помощью температуры и времени нагрева выше температуры плавления меди.
Сергей Жевненко на фоне экспериментальной установкиПолучающиеся в результате взаимодействия расплава с макс-фазой материалы оказались гораздо тверже чистой меди. Спаянные расплавом зерна исходной макс-фазы при этом также продемонстрировали повышенную твердость. Это указывает на то, что новый композит потенциально будет более устойчив к износу и деформации, чем обычные металлы, при этом обладать высокой проводимостью и коррозионной стойкостью.
«Мы впервые описали механизм изменения макс-фаз с образованием нового композита при их высокотемпературном взаимодействии с медными расплавами. Понимание этого процесса позволит создавать прочные промежуточные слои при пайке разных по природе материалов, а также синтезировать композиты с высокой прочностью», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Жевненко, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физической химии НИТУ МИСИС.
Схема экспериментальной установки