Экономически эффективный метод производства прочного и легкого сплава для авиационной, космической и машиностроительной отраслей разработали ученые ЮУрГУ и ИМЕТ УрО РАН. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds.
Новый сплав способен функционировать при высоких температурах и в агрессивных химических условиях, где традиционные материалы быстро теряют свои свойства и выходят из строя.
По словам исследователей, материал выделяется уникальным сочетанием высокой прочности и термической стабильности. Это связано с тем, что он представляет собой высокоэнтропийный сплав, состоящий из пяти или более элементов, смешанных в примерно равных долях, что отличает его от традиционных материалов, таких как сталь или бронза, где один металл является доминирующим, а остальные добавляются в небольших количествах.
Методы создания высокоэнтропийных сплавов предполагают формирование однородной кристаллической решетки, что и придает материалу необходимые характеристики, пояснили авторы работы.
«Хотя разработка подобных сплавов в настоящее время является популярной областью, преимущество предложенного подхода заключается в экономически выгодном способе синтеза. Получение сплава из недорогих оксидов металлов обходится дешевле, чем сплавление чистых компонентов в вакуумных печах, при этом используется энергия реакций, происходящих в процессе синтеза, что делает процесс более эффективным», — отметил профессор кафедры «Материаловедение и физико-химия материалов» ЮУрГУ Евгений Трофимов.
Он добавил, что практическая значимость данного материала очень высока. В авиационной и космической сферах сплав может быть применен для производства компонентов, испытывающих значительные нагрузки, например, лопаток турбин или сопел ракетных двигателей. В машиностроении — для создания деталей оборудования для химической промышленности, работающих в условиях высоких температур и коррозионных реагентов.
Применение нового материала позволит не только повысить надежность и срок службы техники, но и значительно уменьшить общий вес конструкций, что является критически важным для аэрокосмической отрасли, считают специалисты университета и академического института.
Сплав основан на сложной системе из пяти компонентов, включая алюминий, титан, цирконий, ванадий и ниобий. Первый этап исследования проводился на базе ЮУрГУ, где ученые смогли рассчитать и определить возможность формирования стабильного твердого раствора с повышенным содержанием алюминия. Это позволило избежать дорогостоящих экспериментов «вслепую» и перейти к этапу синтеза.
Новый сплав был получен в Институте металлургии имени академика Н. А. Ватолина Уральского отделения РАН (ИМЕТ УрО РАН) методом алюмотермического синтеза. Вместо чистых металлов ученые использовали их оксиды — более доступные соединения металлов с кислородом. Алюминий реагирует с этими оксидами, «забирая» кислород и высвобождая чистые металлы. Эта реакция одновременно позволяет восстановить металлы из оксидов и расплавить их, формируя однородный расплав. После затвердевания он образует слиток высокоэнтропийного сплава.
Качество материала было подтверждено лабораторными испытаниями. Его твердость после термической обработки достигает 670 единиц по шкале Виккерса, что сравнимо с показателями закаленной стали. Однако, в отличие от стали, новый сплав сохраняет свою прочность при более высоких температурах, а температура его плавления превышает значения многих существующих жаропрочных материалов.
«Ученым ЮУрГУ и ИМЕТ УрО РАН удалось решить две ключевые задачи. Во-первых, разработать экономически эффективный и технологичный метод получения сложного многокомпонентного материала, а во-вторых, создать сплав, который одновременно является достаточно легким, сверхпрочным и устойчивым к экстремально высоким температурам и агрессивным условиям», — подчеркнул Трофимов.
На текущем этапе перед исследователями стоит задача изучения влияния добавок других элементов на структуру и свойства сплава, оптимизации технологических процессов его получения для промышленного масштабирования, а также проведения испытаний в реальных условиях эксплуатации. Эти направления позволят расширить практическое применение материала и улучшить его характеристики для различных промышленных секторов.
Фото: hi-tech.mail.ru