Инновационный материал способен преобразовать методы проектирования компонентов для авиационных двигателей, энергетических систем и космических технологий.
Недавнее исследование ученых Университета Пердью сосредоточено на интерметаллических соединениях — твердых материалах, состоящих из двух или более металлических элементов, упорядоченных в кристаллической решетке. Их уникальная атомная структура обеспечивает выдающуюся прочность, высокие температуры плавления и стойкость к ползучести — медленной деформации под длительным воздействием тепла и нагрузки. Эти характеристики делают интерметаллиды полезными в качестве основы для реактивных двигателей, газовых турбин и автокомпонентов. Однако большинство таких материалов обладает серьезным недостатком — они крайне хрупкие и склонны к растрескиванию под нагрузкой.
Инженеры под руководством профессора Синхана Чжана обратили внимание на интерметаллид кобальт-алюминий (CoAl). «Интерметаллид CoAl — это высокопрочное соединение, которое имеет потенциал для использования в материалах нового поколения для создания лопаток турбин авиадвигателей, — поясняет Чжан. — Высокопрочные, но гибкие сплавы CoAl, способные к пластической деформации, позволили бы двигателю работать быстрее, выдерживая более высокую центробежную нагрузку».
Пластичность — это способность материала навсегда изменять форму без растрескивания. Для промышленных целей это имеет критическое значение: из материала, который не может деформироваться, трудно изготавливать сложные детали, и он может внезапно сломаться под нагрузкой.
Ключ к новому материалу заключается в микроскопических дефектах кристаллической решетки — так называемых дислокациях. Хотя термин «дефект» обычно воспринимается негативно, дислокации способствуют деформации металлов под экстремальными условиями вместо их разрушения. «Мы напрямую интегрировали дислокации в CoAl во время процесса осаждения распылением, — делится Чжан. — Более того, мы создали каркас аморфных интерфейсов — гибких границ в материале, которые частично кристаллизуются при деформации и способствуют образованию дислокаций».
Результаты впечатляют: материал достиг предела текучести в 6 гигапаскалей — это в 6-10 раз превышает показатели высокопрочной конструкционной стали. При этом он выдержал 15% пластической деформации при комнатной температуре. «Эта уникальная комбинация ультравысокой механической прочности и выдающейся пластичности делает обновленный CoAl одной из лучших интерметаллических систем на сегодняшний день», — подчеркивает первый автор исследования Кэ Сюй.
Авторы исследования применили магнетронное распыление вместо традиционного литья, что дало возможность создать материал из паровой фазы сплава и внедрить значительно больше дислокаций. Следующим шагом станет масштабирование технологии для промышленного производства и применение концепции к другим интерметаллидам.
Фото: hi-tech.mail.ru