Ученые Томска исследуют керамику с эффектом «самозалечивания» для космоса и энергетики

Ученые физико-технического факультета Томского государственного университета исследуют композиты на основе нового класса сверхвысокотемпературной керамики.

Такие материалы сделают части двигателей устойчивыми к износу и помогут «залечивать» поверхностные повреждения в процессе работы. Использование их в узлах трения аэрокосмических систем и энергетического оборудования позволит обходиться без традиционных смазочных масел, которые при экстремальных температурах до 1 500°C и высоких скоростях скольжения разлагаются и перестают работать. Уникальность проекта в том, что поведение таких композитов детально изучают в ТГУ именно в режиме экстремально высоких скоростей скольжения — до 37 м/с. В таких условиях из-за трения поверхность мгновенно раскаляется до температур выше 1 000°C, и подобные исследования — редкость в мировой практике.

Актуальность проекта напрямую связана с технологическими вызовами в областях, где механизмы работают на пределе. В аэрокосмических двигателях, гиперзвуковых аппаратах, высокопроизводительном металлообрабатывающем и энергетическом оборудовании подшипники, уплотнения и тормозные системы часто функционируют в условиях сильного сухого трения. Нагрев от него приводит к тому, что температура контактных поверхностей может превышать 900°C. При таких температурах, обычно уже свыше 300°C, традиционные масла и консистентные смазки разлагаются и теряют эффективность. Это вызывает ускоренный износ, снижение КПД и отказ дорогостоящего оборудования.

Решение этой задачи научный коллектив ФТФ ТГУ видит в переходе на принципиально новые твердые материалы — высокоэнтропийные бориды, класс сверхвысокотемпературной керамики. Это соединения нескольких металлов с бором, которые не только обладают исключительной твердостью и термостойкостью, но и способны адаптироваться к трению, самостоятельно формируя защитный слой на поверхности.

— Сформированный тонкий (в несколько микрон) многослойный «трибослой» из многокомпонентных оксидов в роли смазки будет снижать коэффициент трения и одновременно, подобно жидкому стеклу, «затекать» в микродефекты и трещины — и обеспечит процесс самозалечивания. Трибохимический синтез будет управляемым, с обратимым откликом на стимул в реальном времени, а это ключевая черта «интеллектуальных» материалов. Так что полученные композиты с комбинированными функциями самосмазывания и самовосстановления могут демонстрировать элементы «интеллектуального» поведения, — отмечает руководитель проекта, ведущий научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии ФТФ ТГУ Николай Савченко.

Уникальность проекта — в целенаправленном комплексном изучении именно высокоскоростного трибологического поведения таких материалов. Данные об их работе при скоростях скольжения от 5 до 90 м/с, характерных для реальных экстремальных режимов, в открытой научной литературе практически отсутствуют: большинство мировых научных групп сосредоточены на механических или низкоскоростных испытаниях.

За два года команда проекта ФТФ комплексно изучит высокоскоростное трение многокомпонентных композитов на основе на основе шестикомпонентного высокоэнтропийного диборида, образующего однородный твердый раствор с гексагональной структурой, куда входят все компоненты — дибориды титана, циркония, ниобия, гафния, тантала и вольфрама — с добавлением карбида кремния (Ti-Zr-Nb-Hf-Ta-W)B2-SiC. В этом композите высокоэнтропийный диборид дает материалу исключительную твердость и термостабильность. Карбид кремния решает три задачи: улучшает спекаемость, повышает вязкость разрушения (сопротивляемость росту трещин) и служит источником оксида кремния для формирования защитного боросиликатного слоя при фрикционном нагреве.

Ключевая гипотеза — при экстремальном высокоскоростном трении компоненты керамики (Ti, Zr, W и др.) и стали контртела (в том числе легированной молибденом или ванадием) взаимодействуют с кислородом воздуха. Именно так на поверхности запускаются управляемые химические реакции, создающие собственную систему смазки и восстановления.

Основным методом проверки станут трибологические испытания по схеме «палец-диск». То есть, образец из композита в форме цилиндрического пальца с заданной силой прижимают к вращающемуся диску из высокоуглеродистой инструментальной стали. Диск разгоняют до скорости линейного скольжения 37 м/с. Датчики в реальном времени зафиксируют силу трения и температуру в зоне контакта. Часть испытаний проведут с дисками из сталей, легированных вольфрамом, ванадием или молибденом, — чтобы понять, как состав оксидной «смазки» влияет на трибологические характеристики композитов.

Ранее коллектив ФТФ ТГУ уже детально исследовал адаптационные механизмы классической керамики ZrB₂-20% SiC при высокоскоростном скольжении. Экспериментально установлено: при скоростях 22–37 м/с на ее поверхности формируется слой из железосодержащего боросиликатного стекла. Он снижает коэффициент трения до 0,2–0,3 и эффективно герметизирует микротрещины. Новое исследование более сложных многокомпонентных композитов позволит сформулировать принципы конструирования материалов, способных работать в самых нагруженных узлах.

Сейчас подобные композиты служат покрытиями для корпуса и внешних деталей спускаемых космических аппаратов. При снижении аппараты подвергаются воздействию гиперзвукового потока и колоссального теплового потока, когда условия сильно отличаются от равновесных. Условия фрикционного контакта композитов внутри механизмов при высокоскоростном трении почти такие же экстремальные, но имеют свои особенности. Отсюда и специфические требования к свойствам материалов, разрабатываемых именно для пар трения.

— Из композитов, которые мы изучаем, можно изготавливать, к примеру, высокоскоростные подшипники в комбинированной паре трения (гибридные подшипники). Это конструкция, в которой сочетаются стальные обоймы (кольца) и шарики из высокоэнтропийной боридной керамики. Такая комбинация материалов обеспечит уникальные преимущества для высокоскоростных режимов работы — прочность и способность к самосмазыванию и «залечиванию» повреждений прямо в процессе эксплуатации, — резюмирует Николай Савченко.