Исследователи из Южно-Уральского государственного университета и Института металлургии УрО РАН нашли экономически выгодный способ создания революционного материала, который изменит подходы к производству в авиации, космосе и машиностроении.
Ученые Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) и Института металлургии Уральского отделения Российской академии наук (ИМЕТ УрО РАН) добились значительного успеха, разработав экономически выгодный метод производства прочного и легкого сплава. Этот инновационный материал обещает революционизировать авиационную, космическую и машиностроительную отрасли. Детали исследования были опубликованы в научном журнале Journal of Alloys and Compounds.
Основные свойства и состав
Созданный сплав выделяется своей способностью эффективно функционировать в условиях высоких температур и агрессивных химических сред, где традиционные материалы быстро теряют свои свойства и выходят из строя. Как отмечают авторы работы, его уникальность заключается в исключительном сочетании высокой прочности и термической стабильности. Эти качества объясняются тем, что сплав относится к категории высокоэнтропийных, то есть состоит из пяти или более элементов, смешанных в почти равных пропорциях. Это кардинально отличает его от классических сплавов, таких как сталь или бронза, где один металл доминирует, а другие добавляются в малых количествах.
Технологии создания высокоэнтропийных сплавов подразумевают формирование однородной кристаллической решетки, что и наделяет материал необходимыми свойствами, объяснили авторы исследования.
Инновационный метод производства
«Хотя создание подобных сплавов является сегодня популярной областью, преимущество разработанного подхода состоит в экономически выгодном методе синтеза. Получение сплава из недорогих оксидов металлов менее затратно, чем сплавление чистых компонентов в вакуумных печах, при этом используется энергия протекающих в процессе синтеза реакций, что делает процесс более эффективным.»
— Профессор кафедры «Материаловедение и физико-химия материалов» ЮУрГУ Евгений Трофимов
Новый сплав получен в ИМЕТ УрО РАН методом алюмотермического синтеза. Вместо чистых металлов ученые использовали их оксиды — более дешевые соединения металлов с кислородом. Алюминий вступает с ними в реакцию, `забирая` кислород и высвобождая чистые металлы. Эта реакция позволяет одновременно восстановить металлы из их оксидов и расплавить, сформировав однородный расплав. После застывания он образует слиток высокоэнтропийного сплава.
Перспективы применения
Практическая ценность разработки чрезвычайно высока. В авиационной и космической отраслях этот сплав найдет применение в производстве критически важных компонентов, подверженных экстремальным нагрузкам: например, лопаток турбин, сопел ракетных двигателей. В машиностроении он будет незаменим для изготовления оборудования, работающего в условиях высоких температур и воздействия коррозионных веществ.
Специалисты университета и института прогнозируют, что внедрение нового материала не только увеличит надежность и срок службы техники, но и позволит значительно снизить ее общую массу, что особенно важно для авиации и космонавтики.
Научные достижения и дальнейшие планы
Основой сплава стала сложная система из пяти компонентов: алюминий, титан, цирконий, ванадий и ниобий. Первый этап работы в рамках исследования был проведён на базе ЮУрГУ, где ученые смогли вычислить и определить возможность формирования стабильного твердого раствора при увеличенном содержании легкого алюминия. Это позволило избежать дорогостоящих экспериментов `вслепую` и сразу перейти к этапу синтеза.
Лабораторные испытания подтвердили превосходные характеристики нового материала: его твердость после термической обработки достигает 670 единиц по шкале Виккерса, что сопоставимо с показателями закаленной стали. Однако, в отличие от стали, новый сплав сохраняет свою прочность при значительно более высоких температурах. Температура его плавления превосходит показатели многих существующих жаропрочных материалов.
«Ученым ЮУрГУ и ИМЕТ УрО РАН удалось решить две ключевые задачи. Во-первых, разработать экономически выгодную и технологичную методику получения сложного многокомпонентного материала, а во-вторых, создать сплав, который одновременно является достаточно легким, сверхпрочным и устойчивым к экстремальным температурам и агрессивным средам.»
— Профессор Евгений Трофимов
На данном этапе перед исследователями стоит задача изучения влияния добавок других элементов на структуру и свойства сплава, оптимизации технологических процессов их получения для промышленного масштабирования, а также испытаниями в реальных условиях эксплуатации. Эти направления позволят расширить практическое применение материала и улучшить его характеристики для различных промышленных отраслей.
