Исследование и разработка порошкового композита Cr-Cr2Ta

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-23-20104

НазваниеИсследование и разработка порошкового композита Cr-Cr2Ta

Руководитель Володько Сергей Сергеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Общество с ограниченной ответственностью "Метсинтез" , Тульская обл

Конкурс №90 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова Гидридно-кальциевый синтез, жаропрочность, жаростойкость, интерметаллид, композит, свойства, порошковая металлургия

Код ГРНТИ53.39.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект направлен на получение методами порошковой металлургии жаропрочного и жаростойкого композита Cr-Cr2Ta и изучение его физико-химических свойств в порошковом и компактном состоянии. Актуальность данного проекта определяется необходимостью разработки новых жаропрочных и жаростойких материалов c рабочей температурой более 1200 °С для создания более эффективных газотурбинных двигателей для энергетики и авиакосмической отрасли России. Композиты типа Cr-Cr2Ta предназначены для замены современных никелевых суперсплавов и сплавов на основе хрома с рабочими температурами не более 1100-1150 °С. В передовых зарубежных странах (США, Европа) данные материалы разрабатываются и применяются уже более 20 лет. В России на текущий момент данные материалы не применяются и не разрабатываются. Предлагаемый проект является по своей сути продолжением работ проекта РНФ №22-23-20113 (Исследование и разработка порошкового интерметаллида Cr2Ta как основы новых жаропрочных композитов системы Cr-Cr2Ta) и представляет первую попытку разработки жаропрочного композита Cr-Cr2Ta в нашей стране. Актуальность данной разработки более чем очевидна. В условиях наложенных западными странами санкций, которые особенно коснулись запрета на поставки в нашу страну новых материалов и двигателей для гражданских самолётов (Сухой супер джет SSJ-100 и др.), газотурбинных установок для перекачки нефти, газа, аммиака, пара и т.д., необходимость в импортозамещении и создании новых материалов чрезвычайно высока. Для выполнения поставленной цели в проекте предлагается использовать технологию, включающую следующие основные операции: металлотермический (гидридно-кальциевый) синтез порошка композита Cr-Cr2Ta из оксидного сырья и его консолидацию методами прессование + спекание и/или искрового плазменного спекания. В ходе выполнения проекта будут проведены исследования процессов восстановления оксидов металлов гидридом кальция (Cr2O3 + Ta2O5 + СаН2) при температурах не более 1200 °С с получением продуктов реакции в виде смеси Cr, Cr2Ta и СаО. Будут определены условия консолидации порошков для получения компактных заготовок с минимальной пористостью. В настоящий момент в зарубежной литературе представлены свойства композиций Cr-Cr2Ta только эвтектического состава, что обусловлено сложностью получения данного композита традиционными методами плавление-кристаллизация и невозможности получения композитов с другим соотношением фаз требуемого качества. В предлагаемом проекте будут получены и исследованы свойства трёх состав Cr-Cr2Ta (доэвтектический, эвтектический и заэвтектический), что существенно расширяет возможности и области применения композитов для различных условий. Актуальность обозначенной проблемы подтверждается рядом работ ведущих российских учёных, в которых остро поставлена проблема создания жаропрочных и жаростойких материалов, которые бы удовлетворяли требованиям, предъявляемым современной отраслью двигателе- и ракетостроения как в России, так и в мире в целом. За рубежом активно работают над поиском новых материалов на основе наиболее перспективных тугоплавких матриц. Считается, что одним из главных критериев выбора жаропрочного материала является его температура плавления. В связи с этим в качестве тугоплавких матриц могут рассматриваться интерметаллиды на основе Mo, Nb, Cr, например, Cr2Ta, Nb3Al, Mo3Al, Nb5Si3, Mo3Si, имеющие высокие температуры плавления (более 2000 °C). Обзор литературы показал, что в России кроме системы Nb5Si3-Nb(Si) новыми композитами на основе Cr и Мо практически никто не занимается. Научная новизна настоящего исследования заключается в том, что впервые будут получены композиты Cr-Cr2Ta в виде порошка и компактных образцов, изучены их физико-химические и жаростойкие свойства. Впервые будут исследованы особенности низкотемпературного (не более 1200 °С) гидридно-кальциевого синтеза композита Cr-Cr2Ta (температура солидуса 1760 °С) и процессов его консолидации с получением компактной заготовки.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На первом этапе проекта исследовано влияние технологических параметров гидридно-кальциевого синтеза на структуру и фазовый состав порошков сплавов Cr-Cr2Ta трех составов: доэвтектический (Cr-20Ta % масс.), эвтектический (Cr-33Ta % масс.) и заэвтектический (Cr-50Ta % масс.). Изучены формы кислорода в порошках, а также содержание газообразующих примесей. Результаты показали, что структура порошков представлена отдельными частицами Cr и Cr2Ta. Размер частиц хрома достигает нескольких десятков микрометров, а размер частиц Cr2Ta составляет до 1 микрометра. Композиционных частиц, состоящих из двух фаз одновременно, не обнаружено. Поэтому, зарождение и рост частиц Cr и Cr2Ta идет обособленно. За счет наличия сильного карбидообразующего элемента Та в порошках происходит карбидообразование при синтезе. Карбидные фазы системы Ta-C обнаружены во всех порошках, однако, их количество больше в сплавах, где содержание Та повышено, при этом содержание углерода увеличивается в ряду Cr→ доэвтетический→ эвектический→ заэвтектический→ Cr2Ta. Источником углерода в данном случае выступает стальная оснастка. С увеличением изотермической выдержки количество карбидных фаз увеличивается, поэтому порошки Cr-Cr2Ta, полученные в неизотермических условиях (без изотермической выдержки), обладают наиболее близким фазовым составом к тому, что предсказывает диаграмма состояния системы Cr-Ta. Фракционный газовый анализ совместно с термодинамическими расчетами показал, что порошок интерметаллида Cr2Ta содержит 0,63 % масс. кислорода, при этом основная доля сформирована оксидами Cr и Ta, однако, вклад каждого установить не удалось. Незначительная часть кислорода находится в виде комплексного оксида TaxCayO (не обнаруживается РФА). Этого не наблюдается при анализе порошка чистого Cr, полученного гидридно-кальциевым методом, а содержание кислорода в нем составляет 0,06 % масс. Порошок доэвтектического сплава Cr-Cr2Ta содержит 0,24 % масс. кислорода, а вид эвалограммы и, соответственно, формы содержания кислорода, практически идентичны порошку Cr2Ta. Наиболее вероятно, Ta и его оксиды вносят больший вклад в общее количество кислорода, чем чистый хром в составе порошков сплавов Cr-Cr2Ta. Это подтверждает тот, факт, что содержание кислорода увеличивается монотонно в последовательности Cr → доэвтетический Cr-Cr2Ta → эвектический Cr-Cr2Ta → заэвтектический Cr-Cr2Ta → Cr2Ta.

Публикации

1. Румянцев Б.А., Григорович К.В., Андреева Н.А., Володько С.С., Касимцев А.В., Юдин С.Н., Гурьянов А.М., Евстратов Е.В. Исследование форм присутствия кислорода в порошковом интерметаллиде Cr2Ta, синтезированном гидридно-кальциевым методом Металлы , № 6, с. 31-40. (год публикации - 2024)
10.31857/S0869573324063140

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Отчет посвящен исследованию консолидации порошков и свойств композитов на основе Cr-Cr2Ta, включая анализ структуры и жаростойкости. В ходе работы были получены и исследованы компактные образцы трех составов: доэвтектический (Cr-20Ta % масс.), эвтектический (Cr-33Ta % масс.) и заэвтектический (Cr-50Ta % масс.). В разделе консолидации порошков методом искрового плазменного спекания (ИПС) изучено влияние температуры (1000–1400 °С) и времени (10–30 мин) на плотность образцов. Установлено, что высокая плотность (0,98–0,99) достигается при 1400 °С, независимо от времени выдержки для всех составов. Доэвтектический состав демонстрирует более высокую плотность и меньшую пористость по сравнению с другими при температуре спекания 1000 и 1200 °С. Анализ структуры компактных образцов, полученных при 1400 °С, показал наличие фаз Cr (кубическая решетка Im-3m) и Cr2Ta (кубическая решетка Fd-3m). Размеры структурных составляющих остаются близкими к исходным порошкам, без значительного роста зерен. Количественный фазовый состав соответствует диаграмме состояния. Исследование жаростойкости при изотермическом окислении (1200 °С, 0–180 мин) выявило параболический закон окисления для всех составов. Доэвтектический и эвтектический составы обладают лучшей устойчивостью к окислению по сравнению с заэвтектическим и чистым Cr2Ta. Оксидная пленка (толщиной до 20 мкм) состоит из Cr2O3 с включениями CrTaO4 и нитридов, с меньшим количеством пор в доэвтектическом составе, что объясняет его превосходную жаростойкость. Результаты подчеркивают потенциал Cr-Cr2Ta композитов для высокотемпературных применений, с рекомендациями по оптимизации состава для улучшения защитных свойств.

Публикации

1. Юдин С.Н., Володько С.С., Румянтцев Б.А., Котякова К.Ю., Московских Д.О., Маркова Г.В., Евстратов Е.В., Гурьянов А.М., Касимцев А.В. Occurrence forms of light impurity elements in Cr-Ta powders produced by calciothermic reduction Elsevier B.V., Volume 134, 107472 (год публикации - 2025)
10.1016/j.ijrmhm.2025.107472

Возможность практического использования результатов
Практическое использование результатов проекта на данном этапе развития настоящего направления проблематично, так как требуются более объемные работы и большее финансирование, обычно проводимое в рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских работы (НИОКР), по итогам выполнения которых возможно создание опытных образцов и их аттестация в полном объеме.