W NCBJ powstają warstwy metaliczne o wysokiej entropii

Fot. 1. Magdalena Wilczopolska i Grzegorz Witold Strzelecki, doktoranci NCBJ, prezentują katody z pierwiastkami używane w badaniach nad wytwarzaniem wieloskładnikowych warstw o wysokiej entropii.

Aluminium, tytan, nikiel, niob i wolfram – aż pięć pierwiastków składa się na warstwy o wysokiej entropii właśnie wyprodukowane w Narodowym Centrum Badań Jądrowych. Ich wytworzenie oznacza, że ośrodek w Świerku włączył się w badania nad pokryciami uchodzącymi we współczesnej inżynierii powierzchni za jedne z najbardziej nowatorskich.

W ostatnich latach w inżynierii materiałowej coraz więcej uwagi poświęca się pokrywaniu materiałów warstwami wieloskładnikowych stopów o wysokiej entropii. Dzieje się tak nie bez powodu: w stosunku do konwencjonalnych, wspomniane stopy charakteryzują się wyraźnie lepszymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku włączyło się obecnie w ten nowatorski nurt badań: w tutejszym Laboratorium Plazmowej Inżynierii Powierzchni wytworzono pierwszą pięcioskładnikową warstwę o wysokiej entropii. Zespół naukowców z NCBJ opisał swoje osiągnięcie na łamach czasopisma „Surface and Coatings Technology”. Do wytworzenia nowej warstwy metalicznej użyto w Świerku impulsowego rozpylania magnetronowego. Wbrew sugerującej egzotykę nazwie, magnetrony należą do urządzeń dość popularnych: to one 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, co umożliwia precyzyjne kontrolowanie składu, struktury i grubości formujących się warstw.

Fot. 2. Aparatura do napylania magnetronowego w Laboratorium Plazmowej Inżynierii Powierzchni w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku.

„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 właściwości”, mówi dr hab. inż. Katarzyna Nowakowska-Langier, prof. NCBJ.

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 (High-entropy Alloy, HEA) mają odmienną budowę: składają się z co najmniej czterech pierwiastków o zbliżonych stężeniach, w praktyce wahających się w zakresie od 5 do 35%.

„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”, tłumaczy mgr inż. Grzegorz Witold Strzelecki, doktorant NCBJ.

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, działa w ścisłej współpracy z Wydziałem Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej (WIM PW), Instytutem Fizyki PAN i Centrum Doskonałości NOMATEN. Próbki pokryte nowymi warstwami o wysokiej entropii zostały zbadane w laboratoriach wymienionych instytucji. Wszystkie analizy potwierdziły, że wyprodukowane pokrycia mają skład, strukturę i grubość zgodne z pierwotnie założonymi parametrami.

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.

Lekkie stopy o wysokiej entropii uchodzą za szczególnie trudne do wyprodukowania, co wynika z faktu, że pierwiastki takie jak tytan czy aluminium łatwo tworzą fazy metaliczne, tu uznawane za niepożądane. Obecne osiągnięcie naukowców z NCBJ dowodzi więc, że zainicjowany kierunek badań nad materiałami warstwowymi zbudowanymi z wieloskładnikowych stopów ma w Świerku duży potencjał rozwojowy.

PUBLIKACJE NAUKOWE:

„Multi-component low and high entropy metallic coatings synthesized by pulsed magnetron sputtering”
G. W. Strzelecki, K. Nowakowska-Langier, K. Mulewska, M. Zieliński, A. Kosińska, S. Okrasa, M. Wilczopolska, R. Chodun, B. Wicher, R. Mirowski, K. Zdunek
Surface and Coatings Technology 446, 128802 (2022)
DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128802

ILUSTRACJE:

Fot. 1. Magdalena Wilczopolska i Grzegorz Witold Strzelecki, doktoranci NCBJ, prezentują katody z pierwiastkami używane w badaniach nad wytwarzaniem wieloskładnikowych warstw o wysokiej entropii. (Źródło: NCBJ / Katarzyna Nowakowska-Langier)
https://www.ncbj.gov.pl/sites/default/files/field/image/fot1.jpg

Fot. 2. Aparatura do napylania magnetronowego w Laboratorium Plazmowej Inżynierii Powierzchni w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku. (Źródło: NCBJ / Katarzyna Nowakowska-Langier)
https://www.ncbj.gov.pl/sites/default/files/field/image/fot2b.jpg

Fot. 1. Magdalena Wilczopolska i Grzegorz Witold Strzelecki, doktoranci NCBJ, prezentują katody z pierwiastkami używane w badaniach nad wytwarzaniem wieloskładnikowych warstw o wysokiej entropii.
Fot. 2. Aparatura do napylania magnetronowego w Laboratorium Plazmowej Inżynierii Powierzchni w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku.