Учёные выяснили способ увеличить прочность сплавов будущего

Ученые НИТУ МИСИС в составе научного коллектива предложили способ повысить прочность сплава, который может быть востребован в атомной энергетике, авиации и космической отрасли. Исследователи установили причину, по которой реальные свойства некоторых материалов отличаются от ожидаемых, и предложили пути решения этой проблемы. Результаты работы опубликованы в научном журнале Journal of Materials Science.

Традиционные металлические сплавы обычно содержат значительные доли одного или двух основных компонентов, определяющих их прочность и пластичность. К примеру, бронза — сплав меди (около 80 процентов) и олова (около 20 процентов) — значительно тверже, чем каждый из этих металлов по отдельности. Дополнительные эксплуатационные качества, такие как устойчивость к коррозии или температурным перепадам, обеспечиваются добавлением небольшого количества других элементов, например, хрома или никеля.

Существуют также так называемые высокоэнтропийные сплавы, которые включают не менее пяти химических элементов примерно в равных пропорциях. Такой состав и структура кристаллической решетки обеспечивают материалу высокую прочность, термическую стабильность, а также устойчивость к коррозии и радиации. Благодаря этим свойствам высокоэнтропийные сплавы считаются перспективными для применения в атомной промышленности, химическом машиностроении, микроэлектромеханических системах и при создании алмазных инструментов, отметил один из авторов исследования, член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой порошковой металлургии и функциональных покрытий, директор Научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза МИСИС-ИСМАН Евгений Левашов.

Однако в ряде случаев реальные механические свойства некоторых сплавов оказываются хуже, чем теоретически предсказанные. Таким примером стал сплав кобальта, хрома, меди, железа и никеля (CoCrCuFeNi), отличающийся доступностью и совместимостью элементов. Несмотря на интерес к этому материалу, его практические механические характеристики оказались ниже ожидаемых, что вызвало обсуждение среди специалистов.

Совместная работа ученых НИТУ МИСИС, ИНМЭ РАН и Каталонского института нанонауки и нанотехнологий позволила выяснить, что ключевым фактором, влияющим на свойства сплава CoCrCuFeNi, является содержание меди. Исследования показали, что уже при начальной деформации нагрузка концентрируется внутри медных зерен, где образуются локальные напряжения, ведущие к образованию трещин и последующему разрушению материала. Этот эффект особенно критичен для микро- и наноразмерных устройств, где размеры отдельных зерен могут быть соизмеримы с размерами деталей в целом, а одна уязвимая область может спровоцировать поломку всей конструкции, объяснил доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ МИСИС Павел Логинов.

Исходя из этих данных, ученые предлагают снизить содержание меди или применить специальные методы обработки для устранения негативного влияния "медной фазы". Кроме того, рекомендуется повысить долю никеля, который способствует растворению меди и тем самым улучшает свойства сплава.

По словам Павла Логинова, результаты работы не только объясняют механизм разрушения одного из наиболее популярных высокоэнтропийных сплавов, но и дают основу для создания новых материалов с лучшим сочетанием прочности и пластичности. Эти материалы могут использоваться в алмазосодержащих композитах и инструментах, защитных покрытиях, энергетике и других высокотехнологичных сферах.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-79-10144-П).