Инженеры Университета Пердью изменили свойства хрупкого сплава кобальта и алюминия. Новый материал выдержал нагрузку до 6 ГПа и деформировался без разрушения. Такое сочетание прочности и пластичности у сверхпрочных металлов встречается редко. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Почему CoAl был проблемным
Сплав кобальта и алюминия относится к интерметаллидам. Это материалы с упорядоченной структурой атомов. Они отличаются высокой прочностью и устойчивостью к нагреву, поэтому интересны для промышленности. Главный недостаток интерметаллидов — хрупкость при комнатной температуре. Сплав выдерживает большие нагрузки, но внезапно разрушается. Постепенная деформация не происходит. Это ограничивает практическое использование материала. Для деталей двигателей такая особенность критична. Турбинные лопатки работают при высоких температурах и испытывают постоянные вибрации. Резкое разрушение в таких условиях недопустимо. Деталь должна быть прочной и гибкой одновременно. Инженеры не меняли химический состав. Вместо этого они изменили внутреннюю структуру сплава на наноуровне.
Как изменили структуру
Метод магнетронного распыления позволил создать внутри материала гибкие границы между слоями. На этих участках сформировалось большое количество дислокаций — микроскопических дефектов кристаллической структуры. Слово «дефект» обычно воспринимается как недостаток. В металлах такие структуры помогают материалу изгибаться и менять форму без разрушения. В результате сплав приобрел одновременно высокую прочность и пластичность. Магнетронное распыление — технология нанесения тонких пленок в вакууме.
Во время испытаний новый CoAl выдержал нагрузку около 6 ГПа. Это примерно в 6–10 раз выше предела текучести некоторых высокопрочных конструкционных сталей. При сжатии при комнатной температуре материал деформировался примерно на 15%, не разрушаясь. Многие сверхпрочные материалы теряют практическую ценность именно из-за хрупкости. Они хорошо выдерживают нагрузку, но плохо переносят удар или изменение формы. При комнатной температуре добиться такого сочетания свойств у интерметаллидов трудно.
Перспективы применения
Авторы исследования рассчитывают, что такие сплавы пригодятся в будущих поколениях авиационных двигателей, газовых турбин и энергетических систем. Более прочные и легкие материалы позволят создавать детали, работающие при больших температурах и скоростях вращения. Эти материалы должны выдерживать длительные нагрузки в условиях высоких температур. Это особенно важно для турбинных лопаток, которые испытывают огромные нагрузки.
До промышленного применения еще далеко. Пока материал получен лабораторным способом в виде тонких слоев. Исследователи планируют проверить, возможно ли создавать такие структуры в больших объемах. Интерметаллиды давно изучают как кандидатов для авиации и энергетики. Хрупкость оставалась главным препятствием для их широкого использования. Работа Университета Пердью предлагает новый подход: состав сплава остается прежним, а внутренняя структура меняется на наноуровне.
