Ученые из Южно-Уральского государственного университета и Института металлургии Уральского отделения РАН разработали экономичный способ производства долговечного и легкого сплава, предназначенного для авиационной, космической отраслей и машиностроения. Результаты работы опубликованы в специализированном издании Journal of Alloys and Compounds.
Как сообщает РИА Новости, этот инновационный сплав демонстрирует работоспособность в условиях экстремальных температур и агрессивных химических сред, где обычные материалы быстро приходят в негодность.
Как утверждают авторы исследования, уникальность материала заключается в сочетании повышенной прочности и устойчивости к высоким температурам. Это свойство обусловлено его высокоэнтропийной структурой. В отличие от традиционных материалов, таких как сталь или бронза, где доминирует один металл с небольшими добавками других, высокоэнтропийные сплавы состоят из пяти или более элементов, объединенных в приблизительно равных пропорциях.
При создании высокоэнтропийных сплавов ключевым является формирование единообразной кристаллической структуры, что и обеспечивает необходимые свойства материала, пояснили исследователи.
«Несмотря на популярность исследований в области подобных сплавов, преимущество нашей разработки заключается в экономически выгодном методе производства. Получение сплава из доступных по цене оксидов металлов обходится дешевле, чем выплавка чистых компонентов в вакуумных печах, при этом используется энергия реакций, происходящих в процессе синтеза, что повышает эффективность», — подчеркнул Евгений Трофимов, профессор кафедры «Материаловедения и физико-химии материалов» ЮУрГУ.
По его словам, разработка имеет высокую практическую ценность. В авиации и космонавтике сплав может применяться для изготовления деталей, подвергающихся значительным нагрузкам, таких как лопатки турбин или сопла ракетных двигателей. В машиностроении – при производстве компонентов оборудования для химической промышленности, работающего в условиях высоких температур и воздействия коррозионных веществ.
Использование этого нового материала позволит не только повысить надежность и срок службы оборудования, но и существенно уменьшить общий вес конструкций, что особенно важно для аэрокосмической отрасли, отмечают эксперты университета и академического института.
Сплав основан на сложной пятикомпонентной системе, включающей алюминий, титан, цирконий, ванадий и ниобий. Начальный этап исследований был проведен в ЮУрГУ. Ученые смогли смоделировать и подтвердить возможность формирования стабильного твердого раствора при повышенном содержании легкого алюминия. Это позволило избежать затратных экспериментов и перейти к этапу синтеза.
Новый сплав был получен в Институте металлургии им. академика Н.А. Ватолина УрО РАН посредством алюмотермического синтеза. Вместо чистых металлов были использованы их оксиды – более дешевые соединения металлов с кислородом. Алюминий вступает с ними в реакцию, отнимая кислород и высвобождая чистые металлы. Эта реакция позволяет одновременно восстановить металлы из их оксидов и расплавить, образовав однородный расплав, который после затвердевания превращается в слиток высокоэнтропийного сплава.
Высокие характеристики материала подтверждены лабораторными испытаниями. Его твердость после термической обработки достигает 670 единиц по шкале Виккерса, что сравнимо с показателями закаленной стали. Однако, в отличие от стали, сплав сохраняет прочность при более высоких температурах, а его температура плавления превосходит многие существующие жаропрочные материалы.
«Исследователи из ЮУрГУ и ИМЕТ УрО РАН успешно решили две ключевые задачи: разработали экономически целесообразную и технологичную методику получения сложного многокомпонентного материала, а также создали сплав, сочетающий в себе легкость, высокую прочность и устойчивость к экстремальным температурам и агрессивным средам», — подчеркнул Трофимов.
На текущем этапе исследователи сосредоточены на изучении влияния добавок других элементов на структуру и свойства сплава, оптимизации технологических процессов его получения для промышленного производства, а также на проведении испытаний в реальных условиях эксплуатации. Эти направления позволят расширить спектр практического применения материала и улучшить его характеристики для различных отраслей промышленности.