Новый медный сплав демонстрирует невероятную жаропрочность
Наноструктурированный медный сплав Cu-Ta-Li (медь-тантал-литий) может стать принципиально новым высокотемпературным материалом для аэрокосмических, оборонных и промышленных применений, объединив свойства нескольких материалов в полезный гибрид.
Разработанный в сотрудничестве между Исследовательской лабораторией армии США (ARL) и Университетом Лихай (LU), сплав является одним из самых прочных материалов на основе меди, когда-либо созданных благодаря высокой термической стабильности и механической прочности. Ученые из Университета штата Аризона и Университета штата Луизиана также внесли свой вклад в создание этого нового жаропрочного сплава.
Передовое материаловедение
«Это передовая наука — разработка нового материала, который уникальным образом сочетает в себе превосходную электропроводность меди с прочностью и долговечностью на уровне суперсплавов на основе никеля», — говорит соавтор работы Мартин Хармер из Университета Лехай. «Это дает промышленности и военным основу для создания новых материалов для гиперзвука и высокопроизводительных турбинных двигателей». В основу нового материала положена технология, впервые примененная в LU, с использованием богатого танталом атомного бислойного комплекса. Комплекс стабилизирует нанокристаллическую структуру, уменьшая склонность границ зерен к изменению при нагревании. Такая стабильность значительно улучшает характеристики материала при повышении температуры, позволяя ему сохранять свою форму даже вблизи температуры плавления.
Комбинированные наноструктурные свойства
Материал сочетает в себе два очень нужных свойства: тепловые свойства никеля и проводимость меди. Никель широко используется в реактивных двигателях благодаря своей прочности, но ему не хватает эффективной проводимости. Термостойкие свойства вольфрама делают его еще одним вариантом замены никеля, но его плотность и хрупкость затрудняют производство.
Такой синтез открывает возможности для создания теплообменников нового поколения, двигательных установок и систем управления теплом, которые могут использоваться в ракетах и гиперзвуковых аппаратах. Cu-Ta-Li не заменит полностью существующие сплавы, но послужит дополнением для некоторых инженерных применений.
Исследование и разработка Cu-Ta-Li
Используя процесс, сочетающий порошковую металлургию и высокоэнергетическое криогенное измельчение, команда синтезировала наноструктуру сплава. После изготовления они использовали передовую микроскопию для исследования структуры осадка Cu₃Li в материале. Практические испытания включали 10 000 часов постоянного нагрева при 800 °C для подтверждения долгосрочной термостойкости сплава и эксперименты на сопротивление ползучести для проверки того, как материал реагирует на экстремальные условия.
Патент США на новый сплав в настоящее время принадлежит Исследовательской лаборатории армии США. Чтобы сделать сплав практичным для использования в производстве, исследовательская группа планирует измерить его теплопроводность для более детального сравнения. В будущем они также намерены применить свои методы для создания других жаропрочных сплавов.