Первый в мире «суперсплав» может изменить способ производства металлов

Фото из открытых источников

Металлические сплавы используются повсюду, от самолетов до столовых приборов, что делает их неотъемлемой частью современной жизни. Ученые продолжают искать способы их улучшения, что зачастую сводится к тому, как они изначально формировались.

Сталь — один из классических примеров сплавов: в основном железо с примесью углерода и других элементов, что делает её намного прочнее и твёрже, чем чистое железо.

Международная группа исследователей разработала новый способ создания сплавов. Метод, описанный в новой статье, опубликованной в журнале Science, обещает создавать металлы, которые в несколько раз прочнее материалов, используемых сегодня.

Секрет заключается в использовании более низких, контролируемых температур, чем обычно при производстве сплавов, и в выдерживании металла в течение определенного времени для «запекания».

Это приводит к более стабильной и упорядоченной конфигурации атомов, расположенных в блоках, известных как зерна, которые одновременно меньше по размеру и более плотно упакованы, чем обычно.

«Более века разработка сплавов была сосредоточена на их составе и технологических процессах», — говорит материаловед Цзянь-Фэн Ни из Университета Монаша в Австралии. «Наша работа предполагает, что способ организации атомов в процессе производства может иметь не меньшее значение. Настоящее значение заключается не только в этом конкретном сплаве, но и в демонстрации того, что атомы могут самоорганизовываться в бездефектные структуры в объёмном металлическом материале, то есть в большом, сплошном куске металла, а не в тонком покрытии, плёнке или микроскопическом образце».

Замечание о масштабировании важно – идея более мелких и лучше организованных зерен уже рассматривалась ранее, но масштабирование до чего-то пригодного для использования представляет собой сложную задачу.

В новом исследовании ученые смешали пять металлов: гафний, ниобий, тантал, титан и цирконий. После короткой стадии высокотемпературного плавления сплав охладили до относительно низкой температуры 550 °C и оставили на несколько часов и даже дней.

Наилучший результат исследователи получили примерно через 32 часа: «суперсплав», названный тугоплавким высокоэнтропийным сплавом (RHEAD). Он в два раза прочнее стали, в три раза прочнее алюминия и в два раза прочнее того же сплава, изготовленного традиционным способом.

«Благодаря тщательному контролю за расположением атомов в процессе обработки нам удалось создать высокосвязанную структуру с исключительной прочностью и стабильностью», — говорит специалист по материаловедению Ю Чжан из Чунцинского университета в Китае.

Как выбор металлов, так и метод получения создают условия для организации атомов сплава в повторяющиеся зернистые структуры, реагируя на естественные напряжения между смешанными материалами и создавая структуру, свободную от дефектов.

Именно такая организация, а также отсутствие дефектов и зазоров между повторяющимися зернами, придает изделию дополнительную прочность.

Испытания показали, что новый сплав достигает предела текучести при сжатии более двух гигапаскалей, сохраняя при этом свою пластичность, то есть он гнется, не ломаясь.

«Если эту концепцию удастся применить более широко, это может открыть двери для материалов со свойствами, которые ранее считались недостижимыми, что повлияет на разработку сплавов и может быть применено во многих системах и отраслях промышленности», — говорит Ни. «Вместо того чтобы увеличивать содержание легирующих элементов для достижения лучших характеристик, мы можем разработать внутренние структуры, обеспечивающие превосходные свойства при меньшем количестве легирующих элементов. Это может привести к более эффективному, устойчивому и экономически выгодному производству сплавов».

Исследователи утверждают, что их открытия открывают множество возможностей для будущего производства во всех областях, от аэрокосмической промышленности до энергетических систем, и даже для технологий, которые еще не были придуманы.

Однако предстоит еще много работы. Далее команда хочет понять не только то, что делают атомы в плане перестройки, но и почему они это делают, что должно позволить расширить и усовершенствовать эту новую методику.

«Более века прогресс в области сплавов достигался путем изменения химического состава и технологических процессов, в основном на основе эмпирических проб и ошибок», — говорит Яннис Вентикос из Университета Монаша, который не принимал непосредственного участия в исследовании. «Это исследование предполагает, что мы можем фактически управлять тем, как атомы организуются, создавая возможности для разработки материалов с характеристиками, которые ранее были недоступны».