Экономически эффективный способ создания прочного и легкого сплава для авиации, космоса и машиностроения создали ученые ЮУрГУ и ИМЕТ УрО РАН. Результаты опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds.

Новый сплав способен работать при высоких температурах и в агрессивных химических средах, в которых стандартные материалы быстро деградируют и выходят из строя.

По словам участников исследований, материал отличается уникальным сочетанием высокой прочности и термической стабильности. Это обусловлено тем, что он представляет собой высокоэнтропийный сплав. Такие сплавы состоят из пяти или более элементов, смешанных в примерно равных долях — это отличает их от традиционных материалов, например, стали или бронзы, где один металл является основой, а другие добавляются в малых количествах.

Технологии создания высокоэнтропийных сплавов подразумевают формирование однородной кристаллической решетки, что и наделяет материал необходимыми свойствами, объяснили авторы исследования.

"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", — рассказал профессор кафедры "Материаловедение и физико-химия материалов" ЮУрГУ Евгений Трофимов.

По его словам, практическая значимость разработки очень высока. В авиационной и космической отраслях сплав может быть использован для изготовления компонентов, испытывающих большие нагрузки: например, лопаток турбин, сопел ракетных двигателей. В машиностроении — при создании деталей оборудования для химической промышленности, работающих под воздействием высоких температур и коррозионных реагентов.

Использование нового материала позволит не только повысить надежность и ресурс эксплуатации техники, но и значительно снизить общий вес конструкций, что является критически важным параметром для аэрокосмической сферы, считают специалисты университета и академического института.

Основой сплава стала сложная система из пяти компонентов. Она включает алюминий, титан, цирконий, ванадий и ниобий. Первый этап работы в рамках исследования был проведён на базе ЮУрГУ. Ученые смогли вычислить и определить возможность формирования стабильного твердого раствора при увеличенном содержании легкого алюминия. Это позволило избежать дорогостоящих экспериментов "вслепую" и перейти к этапу синтеза.

Новый сплав получен в Институте металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАН (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.

Высокое качество материала было подтверждено лабораторными испытаниями. 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 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", — отметил Трофимов.