Контролируемый нагрев помог создать первый в мире «суперсплав»
Инженеры-материаловеды кардинально изменили подход к созданию сплавов, который оставался неизменным на протяжении столетия. Это позволило им получить материал с выдающимися свойствами.
«Первый в мире суперсплав», как без ложной скромности его называют в австралийском Университете Монаша, описан в журнале Science. Он вдвое прочнее стали, втрое — алюминия и примерно вдвое превосходит по прочности тот же сплав, изготовленный традиционным способом.
Вместо того чтобы полностью расплавлять металлы при экстремально высоких температурах, исследователи применили контролируемый нагрев, благодаря которому атомы самостоятельно выстроились в высокоупорядоченные взаимосвязанные структуры. Так возникла «атомарная архитектура» — разные структурные элементы формируются совместно и соединяются непрерывно, без характерных для обычных сплавов микродефектов.
Метод опробовали на сплаве титана, гафния, тантала, ниобия и циркония — в результате внутри материала сформировалась плотная наноструктура, состоящая из трех различных компонентов.
Предел прочности при сжатии у этого материала превысил два гигапаскаля, при этом он сохраняет пластичность.
Работа задает новый подход к проектированию сплавов, считает ее ведущий автор профессор Цзяньфэн Ни.
«Более ста лет разработка сплавов строилась вокруг состава и технологии обработки. Наша работа показывает, что не менее важно то, как атомы организуются в процессе производства. Главное здесь — не сам конкретный сплав, а способность атомов к самоорганизации в бездефектные структуры в объемном металлическом материале, то есть в крупном цельном куске металла, а не в тонком покрытии, пленке или микроскопическом образце. Если эту идею удастся применить шире, она откроет путь к материалам со свойствами, которые раньше считались недостижимыми», — объясняет исследователь.
Полученные результаты демонстрируют принципиально иной подход к созданию высокопрочных металлов, согласен первый автор Юй Чжан из Чунцинского университета.
«Тщательно контролируя организацию атомов в процессе обработки, мы смогли получить высокосвязанную структуру с исключительной прочностью и стабильностью», — указывает он.
Сейчас исследователи изучают взаимодействия на атомарном уровне, которые управляют формированием этих структур и свойства материалов в процессе обработки. «На еще более мелком масштабе именно эти взаимодействия решают, как материалы формируются, меняются и работают», — подчеркивает профессор.
Профессор Яннис Вентикос, декан инженерного факультета Университета Монаша, назвал эту работу открытием, которое случается раз в поколение.
«Более ста лет прогресс в создании сплавов достигался за счет изменения состава и технологий обработки, во многом методом проб и ошибок. Это исследование показывает, что мы можем фактически конструировать то, как атомы самоорганизуются, а значит, получать материалы с возможностями, которые раньше были вне досягаемости», — заметил он.
По мнению Вентикоса, открытие десятилетиями будет приносить пользу в самых разных приложениях — «от авиакосмической отрасли и энергетики до передового производства и технологий, которые еще только предстоит придумать».
