Материаловеды повысили пластичность и прочность уникального тугоплавкого сплава

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».