Пластичность и прочность уникального тугоплавкого сплава смогли повысить материаловеды

Новый способ обеспечивает формирование мелкозернистой структуры, делающей материал самым пластичным среди подобного рода сплавов

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, делающей его самым пластичным на сегодняшний день среди подобного рода сплавов. Усовершенствованный материал можно будет использовать в авиационной и космической промышленности благодаря хорошему сочетанию прочности и пластичности. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликовано в журнале Materials Science and Engineering: A.

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, состоящие из нескольких (обычно не менее 4-5) 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 такие материалы 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). До сих было не вполне понятно, что оказывает большее влияние на механические свойства этих сплавов — зерна или домены. Кроме того, неясно, как изменить эти параметры, чтобы настраивать свойства материала под определенные цели.

Материаловеды из Белгородского государственного национального исследовательского университета (Белгород) и Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (Санкт-Петербург) исследовали механические свойства предложенного ими ранее тугоплавкого среднеэнтропийного сплава Al15Nb40Ti40V5 (индексы обозначают атомные концентрации элементов) 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.

Результаты показали, что независимо от размера доменов измельчение зерен позволило увеличить растяжимость материала примерно на 50% при комнатной температуре. По этому показателю сплав Al15Nb40Ti40V5 превосходит все известные на сегодняшний день тугоплавкие высоко/среднеэнтропийные сплавы. Авторы исследования предполагают, что представленный ими сплав, в котором можно достичь повышения пластичности за счет относительной простой обработки, может быть перспективным материалом для конструкционного применения в авиационной и космической промышленности.

«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», — рассказывает Никита Юрченко, руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, кандидат технических наук, научный сотрудник НИУ «БелГУ».

Источник: «Поиск».