Ученые поняли, как повысить прочность сплава для космоса и энергетики

МОСКВА, 28 июл — РИА Новости. Способ повысить прочность сплава, который может найти применение в атомной энергетике, авиации и космосе, предложили ученые НИТУ МИСИС в составе научного коллектива. Исследователи нашли причину, по которой реальные свойства материала отличаются от ожидаемых, и поняли, как это преодолеть. Результаты представлены в Journal of Materials Science.

Классический сплав металлов содержит десятки процентов одного или двух основных компонентов, которые определяют прочность и пластичность материала. Например, сплав меди (примерно 80 процентов) и олова (примерно 20 процентов) — оловянная бронза — значительно тверже своих составляющих. Стойкость сплава к коррозии, перепадам температур и другие дополнительные эксплуатационные свойства достигаются легированием — добавлением небольших количеств других элементов, например хрома или никеля, рассказали в НИТУ МИСИС.

"Есть другой класс сплавов металлов, которые состоят не менее чем из пяти химических элементов, взятых в приблизительно равных количествах. Такие сплавы называют высокоэнтропийными. Их состав и строение кристаллической решетки обеспечивают высокую прочность, термическую стабильность, коррозионную и радиационную стойкость (то есть ионизирующему радиоактивному излучению). Поэтому они перспективны для атомной промышленности, химического машиностроения, создания микроэлектромеханических систем и алмазного инструмента", — рассказал один из авторов работы, член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой порошковой металлургии и функциональных покрытий, директор Научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза МИСИС-ИСМАН Евгений Левашов.

В реальности свойства некоторых сплавов иногда оказываются хуже, чем предсказывает теория. Пример разрыва между теоретическими ожиданиями и полученным практическим результатом — сплав кобальта, хрома, меди, железа и никеля (CoCrCuFeNi). Этот сплав привлекает исследователей и инженеров экономической доступностью компонентов, технологичностью и хорошей совместимостью элементов. Но на практике его механические свойства оказались хуже ожидаемых, что стало причиной дискуссии в научном сообществе, добавили в НИТУ МИСИС.

Ученые НИТУ МИСИС совместно с коллегами из ИНМЭ РАН и Каталонского института нанонауки и нанотехнологий (Испания) нашли "ахиллесову пяту" сплава CoCrCuFeNi. Они выяснили, что механические свойства сплава критически зависят от количества меди.

"Наблюдения дали однозначный ответ: с самого начала деформации вся активность сосредоточена исключительно внутри медных зерен. Именно там возникает локализация напряжений, а затем и трещина, которая приводит к разрушению. Особенно важны эти данные для микро- и наноразмерных устройств. В миниатюрных элементах электроники, датчиках и микромеханических системах размеры отдельных составляющих материала могут быть сопоставимы с размерами самого изделия. В таких условиях даже одна сравнительно уязвимая область способна стать причиной разрушения всей конструкции", — объяснил доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ МИСИС Павел Логинов.

По мнению исследователей, полученные в работе данные являются рецептом для создания прочного сплава CoCrCuFeNi: чтобы подавить негативное влияние "медной фазы", можно снизить ее содержание или использовать специальные технологии обработки изделий из сплава. Кроме того, можно повысить концентрацию никеля, который способствует растворению меди.

"Результаты нашего исследования не только раскрывают механизм разрушения одного из наиболее распространенных высокоэнтропийных сплавов, но и создают основу для разработки новых материалов с улучшенным сочетанием прочности и пластичности. Такие материалы могут найти применение в алмазосодержащих композитах и инструментах, защитных покрытиях, энергетике и других высокотехнологичных отраслях", — добавил Павел Логинов.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-79-10144-П).