Экстремальный сорт: ученые создали сверхпрочный и пластичный сплав
Материаловеды предложили способ улучшить механические свойства сплава, состоящего из алюминия, ниобия, титана и ванадия за счет простой обработки. Авторы установили, что прокатка и последующий короткий высокотемпературный отжиг обеспечивает формирование мелкозернистой структуры, которая делает его сверхпрочным и самым пластичным на сегодняшний день среди подобного рода сплавов. Усовершенствованный материал можно будет использовать в авиационной и космической промышленности, уверены разработчики.
Сверхвысокие требования
Авиационная и космическая промышленности предъявляют повышенные требования к материалам: они должны быть прочными, легкими, выдерживать огромные нагрузки и перепады температур. Например, при изготовлении газотурбинных двигателей используются титановые и никелевые суперсплавы, свойства которых уже нельзя улучшить в значительной мере. В связи с этим материаловеды во всем мире активно исследуют высоко- и среднеэнтропийные сплавы, состящоие из нескольких (обычно не менее четырех-пяти) тугоплавких металлов, которые демонстрируют уникальный комплекс свойств при экстремально высоких температурах.
Потенциальная замена применяемых сейчас высокотемпературных материалов на тугоплавкие высоко/среднеэнтропийные сплавы может помочь эффективнее производить и использовать воздушные суда и снизить вредные выбросы. Однако они достаточно хрупкие при комнатной температуре. Дело в их структуре, где атомы металлов располагаются строго определенным образом и недостаточно пластичны. Между тем существуют некоторые композиции тугоплавких высоко/среднеэнтропийных сплавов с упорядоченной структурой, которые могут быть пластичными при комнатной температуре. Они состоят из так называемых зерен и упорядоченных областей внутри них (их называют доменами).
Материаловеды из Белгородского государственного национального исследовательского университета и Санкт-Петербургского государственного морского технического университета исследовали механические свойства предложенного ими ранее тугоплавкого среднеэнтропийного сплава из алюминия, ниобия, титана и ванадия с упорядоченной структурой. Для проведения систематических исследований ученые варьировали размеры зерен и доменов, изменяя условия обработки, а именно температуры и длительности отжига после холодной прокатки.
— Учитывая колоссальный интерес мирового материаловедческого сообщества к таким материалам, которые рассматриваются в качестве наиболее перспективной замены существующих жаропрочных сплавов, полученные нами результаты могут создать основу для разработки новых практически значимых композиций с уникальными механическими свойствами, способными значительно увеличить дальность полетов воздушных судов и снизить количество вредных выбросов, — рассказал «Известиям» руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, кандидат технических наук, научный сотрудник НИУ «БелГУ» Никита Юрченко.
Секретные материалы
Результаты показали, что независимо от размера доменов измельчение зерен позволило увеличить растяжимость материала примерно на 50% при комнатной температуре. По этому показателю сплав превосходит все известные на сегодняшний день тугоплавкие высоко/среднеэнтропийные. Авторы исследования предполагают, что представленный ими материал с достижением повышения пластичности за счет относительно простой обработки может быть перспективным для конструкционного применения в авиационной и космической промышленности.
На данный момент подобные сплавы считаются перспективными конструкционными и функциональными материалами благодаря комплексу высоких физико-механических свойств, сказал директор НИЦ «Конструкционные керамические материалы» НИТУ МИСИС Дмитрий Московских.
— Управление структурой при помощи различных видов пластической деформации с последующим отжигом дает возможности получать желаемое сочетание прочности и пластичности. Следовательно, представленные результаты носят по-настоящему актуальный характер как с практической точки зрения, так и с точки зрения новых знаний в области материаловедения средне- и высокоэнтропийных деформируемых сплавов, — подчеркнул он.
Данное и другие подобные исследования делают значимый вклад в развитие жаропрочных материалов, что в итоге обязательно приведет к замене существующих на данный момент лучших никелевых жаропрочных суперсплавов и позволит шагнуть вперед в плане развития авиакосмической отрасли, подытожил эксперт.
Однако ряд экспертов считает, что новые сплавы необязательно произведут революцию в их изготовлении.
— Тематика сама по себе модная, популярная, представляющая интерес для материаловедческого научного сообщества, — считает профессор ВШ «Физика и технологии материалов» СПбПУ Петра Великого Николай Колбасников. — Можно сказать, очевидно, что эта тематика представляет собой очередной научный бум (скорее, микробум) из тех, которые эта наука время от времени переживает. Последний, не принесший в конструкционном материаловедении ожидаемых результатов, — наноматериалы.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликовано в журнале Materials Science and Engineering.
