Aluminium, tytan, nikiel, niob i wolfram – pięć pierwiastków składa się na warstwy o wysokiej entropii, wyprodukowane w Narodowym Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku. Składniki te nie połączyłyby się tak w typowych warunkach termodynamicznych.
Jak informuje NCBJ, w inżynierii materiałowej coraz więcej uwagi poświęca się pokrywaniu materiałów warstwami wieloskładnikowych stopów o wysokiej entropii. Właściwości fizyczne i chemiczne takich powłok są wyraźnie lepsze niż konwencjonalnych stopów. Lekkie stopy o wysokiej entropii uchodzą za szczególnie trudne do wyprodukowania, bo pierwiastki takie jak tytan czy aluminium łatwo tworzą niepożądane w tym przypadku fazy metaliczne.
Do wytworzenia nowej warstwy metalicznej w Laboratorium Plazmowej Inżynierii Powierzchni w Świerku użyto impulsowego rozpylania magnetronowego. Naukowcy opisali swoje osiągnięcie w artykule na łamach czasopisma „Surface and Coatings Technology”.
MAGNETRONY - ZNAJOMI Z KUCHNI
Magnetrony odpowiadają m.in. za generowanie mikrofal w kuchenkach mikrofalowych. W plazmowej inżynierii powierzchni wykorzystuje się fakt, że zachodzące w magnetronach wyładowanie jarzeniowe silnie jonizuje neutralny gaz obecny w komorze próżniowej urządzenia (zwykle jest to niewchodzący w reakcje argon). Powstająca plazma efektywnie oddziałuje z materiałami wyjściowymi na katodzie. Rozpylone przez plazmę składniki stopniowo osadzają się na docelowych przedmiotach umieszczonych w komorze próżniowej. To umożliwia precyzyjne kontrolowanie składu, struktury i grubości formujących się warstw.
„W naszych urządzeniach plazmę generujemy w warunkach impulsowo zmiennych. Ten tryb pracy pozwala nam wytwarzać pokrycia z wieloskładnikowych stopów nierównowagowych o dużej entropii, czyli takich, których składniki w typowych warunkach termodynamicznych nie połączyłyby się w podobny sposób. Charakteryzujący te materiały nierównowagowy stan strukturalny można wykorzystać do późniejszego kształtowania nanostruktury docelowego materiału, a w konsekwencji do nadawania mu określonych właściowości” - mówi dr hab. inż. Katarzyna Nowakowska-Langier, prof. NCBJ cytowana w materiale prasowym.
NAUKOWCY KONTRA ENTROPIA
W konwencjonalnych stopach dominują jeden lub dwa pierwiastki, a ewentualne dodatki, jeśli w ogóle są obecne, pojawiają się w śladowych ilościach. Stopy o wysokiej entropii składają się z co najmniej czterech pierwiastków o zbliżonych stężeniach, w praktyce wahających się w zakresie od 5 proc. do 35 proc.
„W przemyśle, zwłaszcza motoryzacyjnym i lotniczym, sporym zainteresowaniem cieszą się stopy metali lekkich. Zaprojektowaliśmy więc pokrycie z aluminium i tytanu, które w celu poprawy parametrów wytrzymałościowych i termicznych uzupełniliśmy o nikiel, niob i wolfram. Krytyczne okazało się odpowiednie przygotowanie próbek wyjściowych, tak by mimo użycia tylko jednego magnetronu zapewnić zaplanowane proporcje metali. Jednocześnie musieliśmy zadbać o wyeliminowanie potencjalnych zanieczyszczeń, które obniżyłyby parametry wytworzonych warstw” - uzupełnia informację doktorant NCBJ Grzegorz Witold Strzelecki.
Zapewnił, że przedmioty poddawane napylaniu magnetronowemu mimo wystawienia na działanie plazmy nie nagrzewają się do wysokich temperatur. Dlatego pięcioskładnikowe warstwy z NCBJ będzie można nanosić na podłoża różnego typu, nawet polimerowe.
Badania nad impulsowym rozpylaniem magnetronowym są rozwijane w Świerku od kilkunastu lat. Działające tu Laboratorium Plazmowej Inżynierii Powierzchni, utworzone ze środków Narodowego Centrum Nauki w Zakładzie Technologii Plazmowych i Jonowych, współpracje z Wydziałem Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej, Instytutem Fizyki PAN i Centrum Doskonałości NOMATEN.
Nauka w Polsce
kol/ zan/
