Инженеры из Университета Пердью нашли способ изменить свойства хрупкого сплава кобальта и алюминия. Новый материал выдержал нагрузку до 6 ГПа и смог деформироваться без разрушения – сочетание, которое редко встречается у сверхпрочных металлов.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Ученые считают, что такой подход в будущем может помочь создавать более легкие и прочные детали для авиационных двигателей, газовых турбин и энергетических систем.
Почему этот сплав был проблемным
Сплав кобальта и алюминия (CoAl) относится к интерметаллидам – материалам с очень упорядоченной структурой атомов. Они отличаются высокой прочностью и устойчивостью к нагреву, поэтому интересны для промышленности.
Но у таких материалов есть серьезный недостаток: при комнатной температуре они часто слишком хрупкие. То есть способны выдерживать большие нагрузки, но могут внезапно разрушиться вместо того, чтобы постепенно деформироваться.
Для деталей двигателей это большая проблема. Материал должен быть не только прочным, но и достаточно гибким, чтобы выдерживать реальные нагрузки.
Как ученые изменили металл
Исследователи не стали менять состав сплава. Вместо этого они изменили его внутреннюю структуру на наноуровне.
С помощью технологии магнетронного распыления инженеры создали внутри материала особые гибкие границы между слоями. Эти участки помогли сформировать большое количество микроскопических дефектов кристаллической структуры – дислокаций.
Хотя слово “дефект” обычно звучит как недостаток, в металлах такие структуры помогают материалу изгибаться и менять форму без разрушения.
В результате сплав получил одновременно высокую прочность и пластичность.
Прочнее стали, но пока только в лаборатории
Во время испытаний новый CoAl выдержал нагрузку около 6 ГПа. Это примерно в 6–10 раз выше предела текучести некоторых высокопрочных конструкционных сталей.
При этом материал смог деформироваться примерно на 15% при сжатии при комнатной температуре, не разрушаясь.
Для сравнения: многие сверхпрочные материалы теряют практическую ценность именно из-за хрупкости – они хорошо выдерживают нагрузку, но плохо переносят удар или изменение формы.
Где может пригодиться новый материал
Авторы исследования считают, что такие сплавы могут использоваться в будущих поколениях авиационных двигателей и газовых турбин.
Более прочные и легкие материалы позволяют создавать детали, которые работают при больших температурах и скоростях вращения. Это особенно важно для турбинных лопаток, которые испытывают огромные нагрузки.
Однако до промышленного применения еще далеко. Пока ученые получили материал методом лабораторного производства тонких слоев и планируют проверить, можно ли создавать такие структуры в больших объемах.
Интерметаллиды уже давно изучают как кандидаты для авиации и энергетики благодаря их прочности и жаростойкости. Главная проблема этой группы материалов – сочетание прочности и хрупкости. Работа Университета Пердью предлагает новый подход: не менять сам состав сплава, а управлять его внутренней структурой на наноуровне.
