Учёные впервые создали «суперсплав», который может изменить производство металлов

Международная группа исследователей разработала новый способ создания металлических сплавов, который позволяет получать материалы с рекордной прочностью. Вместо изменения химического состава учёные сосредоточились на управлении тем, как атомы самостоятельно выстраиваются во время изготовления металла. Такой подход позволил получить сплав, который оказался значительно прочнее аналогов, изготовленных традиционными методами.

Металлические сплавы используются практически повсеместно — от авиационной и космической техники до строительных конструкций, автомобилей и бытовых приборов. Одним из самых известных примеров является сталь — сплав железа с небольшим количеством углерода и других элементов, обладающий гораздо большей прочностью и твёрдостью, чем чистое железо.

Авторы новой работы предложили принципиально иной подход к производству сплавов. Вместо повышения температуры и изменения состава материала они использовали сравнительно низкую температуру обработки и длительную термическую выдержку, позволяющую атомам самостоятельно сформировать более упорядоченную внутреннюю структуру.

По словам профессора материаловедения Цзяньфэна Не из австралийского Университета Монаша, более ста лет развитие сплавов основывалось главным образом на подборе химического состава и совершенствовании технологий обработки. Однако результаты нового исследования показывают, что не менее важную роль играет то, как именно атомы организуются в процессе изготовления материала.

Исследователи подчёркивают, что главным достижением стала не только разработка конкретного нового сплава, но и доказательство того, что атомы способны самостоятельно формировать практически бездефектную структуру в массивном металлическом материале, а не только в тонких плёнках или микроскопических образцах, как удавалось ранее.

Для создания нового материала учёные использовали пять металлов: гафний, ниобий, тантал, титан и цирконий. После кратковременного плавления при высокой температуре сплав охлаждали до примерно 550 градусов Цельсия и выдерживали в течение нескольких часов и даже суток.

Наилучшие характеристики были получены примерно через 32 часа термической обработки. Именно тогда сформировался так называемый высокоэнтропийный тугоплавкий сплав, обладающий особенно упорядоченной внутренней структурой.

Полученный материал оказался примерно в два раза прочнее стали, в три раза прочнее алюминия и в два раза прочнее аналогичного сплава, изготовленного традиционным способом.

Как объяснил профессор Юй Чжан из Чунцинского университета, тщательный контроль процесса обработки позволил атомам выстроиться в чрезвычайно плотную и хорошо связанную структуру, обладающую высокой прочностью и стабильностью.

Особенность технологии заключается в том, что атомы различных металлов самостоятельно образуют повторяющиеся упорядоченные участки — так называемые зёрна. Благодаря естественным внутренним напряжениям между элементами формируется практически бездефектная структура без пустот и слабых мест, что и обеспечивает столь высокие механические характеристики.

Испытания показали, что новый сплав выдерживает предел текучести при сжатии свыше 2 гигапаскалей, сохраняя при этом пластичность. Это означает, что материал способен деформироваться без разрушения, что особенно важно для применения в промышленности.

Авторы исследования считают, что если предложенный принцип удастся распространить на другие металлические системы, это откроет возможность создавать материалы со свойствами, которые ранее считались недостижимыми.

По мнению учёных, в будущем инженеры смогут улучшать характеристики металлов не за счёт увеличения количества легирующих добавок, а благодаря точному управлению внутренней структурой материала. Такой подход способен сделать производство сплавов более экономичным, экологичным и эффективным.

Разработка может найти применение в авиационной и космической промышленности, энергетике, машиностроении и других высокотехнологичных отраслях, где требуются материалы с максимально высокой прочностью и долговечностью.

Теперь исследователи намерены выяснить, какие именно физические механизмы заставляют атомы самостоятельно выстраиваться в столь совершенную структуру. Это позволит усовершенствовать технологию и использовать её для создания новых поколений сверхпрочных металлических материалов.

Профессор инженерного факультета Университета Монаша Яннис Вентикос, не участвовавший в исследовании, отметил, что более века развитие сплавов основывалось главным образом на изменении их химического состава методом проб и ошибок. По его словам, новая работа показывает, что теперь учёные могут целенаправленно управлять тем, как атомы организуются внутри металла, открывая путь к созданию материалов с ранее недостижимыми свойствами.