Российские ученые выяснили, что взаимодействие материалов на основе титана, алюминия и азота с расплавом меди приводит к образованию прочных и износостойких композитов. Полученные результаты помогут создавать новые металлокерамические материалы для применения в электротехнике, авиации и машиностроении.

Устойчивостью к высоким температурам, давлению и нагрузкам обладают макс-фазы - соединения, сочетающие прочность керамики и теплопроводность металлов. Однако пока не разработана надежная технология соединения макс-фаз с металлами. До сих пор не до конца изучены процессы, происходящие в месте соприкосновения материалов с различными расплавами.

Исследователи НИТУ МИСИС и Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А. Г. Мержанова РАН выяснили, как расплав меди взаимодействует с макс-фазой на основе титана, алюминия и азота. Ученые поместили отполированные пластины макс-фаз в вакуумную камеру, нанесли на них капли расплавленной меди при температурах 1085-1200 °C и зафиксировали результаты с помощью высокоскоростной съемки и тепловизионных измерений. Выяснилось, что при контакте с медью макс-фаза распадается на твердые частицы нитрида титана, а атомы алюминия переходят в медный расплав. В результате объем материала уменьшается, образуются микрополости, которые заполняются медью. Также выяснилось, что процесс распада и пропитывания можно контролировать, изменяя температуру и время нагрева выше точки плавления меди.

"Мы впервые описали механизм изменения макс-фаз при их высокотемпературном взаимодействии с медными расплавами, когда в результате образуется новый композит. Понимание этого процесса позволит создавать прочные промежуточные слои при пайке разных по природе материалов, а также синтезировать композиты с высокой прочностью", - сказал д.ф.-м.н. Сергей Жевненко, профессор кафедры физической химии НИТУ МИСИС.

Полученный материал оказался значительно тверже чистой меди. Частицы макс-фазы, спаянные расплавом, образовали плотную структуру с повышенной прочностью. При этом спаянные расплавом зерна исходной макс-фазы также показали повышенную твердость. Композит может быть более устойчив к износу и деформации, сохраняя высокую электропроводность и коррозионную стойкость. Подробности исследования опубликованы в научном журнале Composite Interfaces. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (проект № 23-19-00657).