Ученые продвинулись в создании жаропрочных алюминиевых сплавов

Российские ученые с норвежскими коллегами исследовали атомную структуру пластин/частиц, ответственную за высокие прочностные свойства алюминиевых сплавов при повышенных температурах. Специалисты смоделировали атомные конфигурации пластин/частиц и оценили их структурную согласуемость с окружающей алюминиевой матрицей. Эти знания помогут разработать новые технологии производства высокопрочных алюминиевых сплавов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), были опубликованы в журнале Materials Characterization.

Современная авиационная промышленность предъявляет все более высокие требования к материалам для авиастроения, которые должны сочетать в себе легкость, прочность, устойчивость к нагрузкам, трещинам, повышенным температурам и коррозии. Поэтому в производстве воздушных судов используются алюминиевые сплавы, отвечающие определенному набору характеристик. Однако при эксплуатации обшивка корпуса и крыльев самолета подвергаются колоссальной нагрузке, что при особом температурном режиме работы ускоряет их износ и последующее разрушение.

Обычно требуемые механические и химические (в частности, коррозионные) свойства алюминиевых сплавов достигаются благодаря термической или термомеханической обработке. Кроме того, свойства материала зависят от его химического состава (легирования), который определяется в процессе литья. Таким образом, множество различных факторов может оказывать влияние на конечные свойства готовых изделий. Чтобы соответствовать постоянно ужесточающимся требованиям к характеристикам авиационных материалов, разрабатываются алюминиевые сплавы с добавками меди (Cu), магния (Mg), серебра (Ag) и ряда других химических элементов. Данные сплавы, относящиеся к системе легирования Al-Cu-Mg-Ag, отличаются высокой жаропрочностью по сравнению с другими алюминиевыми аналогами. Однако атомная структура Al-Cu-Mg-Ag сплавов, ее изменение при разных режимах термической и термомеханической обработки, а также в процессе эксплуатации деталей при повышенных температурах до сих пор плохо изучены.

Ученые из Белгородского государственного национального исследовательского университета (Белгород) и Сколковского института науки и технологий (Москва) совместно с коллегами из независимой исследовательской организации SINTEF (Норвегия) и Норвежского университета естественных и технических наук (Норвегия) исследовали атомную структуру алюминиевых сплавов, чтобы понять механизмы их упрочнения и эволюции при термической/термомеханической обработке.

В более раннем исследовании научный коллектив смоделировал атомную структуру пластин/частиц из атомов меди, магния и серебра, которая была встроена в алюминиевую матрицу. Это позволило получить новые данные о напряженно-деформированном состоянии частиц/пластин, более детально описать механизмы их формирования в сплаве при термической и термомеханической обработке, а также установить причины уникальных механических свойств Al-Cu-Mg-Ag сплавов.

В новой работе ученые исследовали структуру границ между пластиной/частицей и алюминиевой матрицей, в результате чего обнаружили взаимосвязь структурной согласуемости пластин/частиц различной толщины с матрицей и ориентацией границ пластин, а также скоплением вдоль них легирующих элементов — атомов меди. «Сплав системы Al-Cu-Mg-Ag применяется в авиастроении для изготовления обшивки крыла и фюзеляжа, работающих при повышенных температурах, а также может использоваться для легкого бронирования спецтехники. Полученные фундаментальные знания будут способствовать переходу к новым технологиям производства алюминиевых сплавов с улучшенным комплексом механических свойств для изготовления деталей и узлов воздушных транспортных средств нового поколения», — рассказывает руководитель проекта РНФ Марат Газизов, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов НИУ БелГУ.