Легкий как алюминий, прочный как сталь — создан новый материал для авиации и космоса
Инженеры из Торонто представили композит, который сочетает легкость алюминия и жаропрочность дорогих титановых сплавов. При высоких температурах он сохраняет прочность на уровне обычной конструкционной стали, но весит в три раза меньше. Если технология дойдет до серийного производства, это значительно улучшит инженерные решения для авиации, ракетостроения и даже гиперзвуковых аппаратов. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
От железобетона до нанометалла
Идея была новая и старая одновременно: взять то, что человечество отточило за 150 лет в строительстве, и перенести на микроскопический уровень. В обычном железобетоне стальная арматура берет на себя растяжение, а бетон — сжатие. Инженеры из Канады сделали то же самое, только вместо бетона — алюминиевая матрица, а вместо арматуры — трехмерная сетка из титанового сплава Ti-6Al-4V с ячейками 200–500 микрон.
«Стальная арматура широко используется в строительной отрасли для повышения структурной прочности бетона в зданиях и других крупных сооружениях. Новые технологии, такие как аддитивное производство, также известное как 3D-печать по металлу, теперь позволили нам имитировать эту структуру в виде композита с металлической матрицей. Этот подход дает нам новые материалы с невиданными ранее свойствами», — говорит профессор Юй Цзоу, руководитель проекта.
Как именно его печатают и заливают
Процесс двухэтапный. Сначала лазерной порошковой печатью (LPBF) слой за слоем выращивают ажурный титановый каркас любой нужной геометрии. Толщина стенок сетки всего 200 микрон, но прочность титана делает ее суперпрочной и устойчивой.
Затем в вакууме под давлением 5–7 атмосфер в пустоты заливают расплав на основе алюминия с 11 % кремния и 4 % магния. При кристаллизации в «бетоне» самопроизвольно образуются миллиарды наночастиц оксида алюминия и кремния — именно они блокируют движение дислокаций при нагреве и не дают материалу «плыть».
Стресс-тест для материала
При комнатной температуре новый материал выдерживает нагрузку 700 МПа (это как если бы на квадратный сантиметр его поверхности можно было поставить груз примерно в 70 тонн — обычный авиационный алюминий уже начнет деформироваться при 10–15 тоннах).
При 300 °C (температура, близкая к той, что бывает рядом с реактивным двигателем) он все еще держит 550 МПа — обычный алюминий в таких условиях уже в 10 раз слабее.
При 500 °C (это уже температура раскаленного металла, почти красное каление) новый композит сохраняет 300–400 МПа — это все еще уровень хорошей конструкционной стали, а обычный алюминиевый сплав при такой жаре превращается буквально в пластилин (всего 5 МПа).
При этом он весит всего 3,3 г на кубический сантиметр — почти как чистый алюминий, в 2,4 раза легче стали и на 35 % легче чистого титана.
«По сути, чем они горячее, тем мягче они становятся, но наш композит ведет себя совершенно иначе», — говорит Чэньвэй Шао, первый автор статьи
Где это реально пригодится
- Турбины реактивных двигателей — температура на входе уже перевалила за 1600 °C, и каждый градус снижения температуры деталей даёт огромную экономию топлива.
- Тепловые щиты возвращаемых аппаратов и гиперзвуковых планеров.
- Корпуса двигателей электросамолетов — там важны и лёгкость, и способность выдерживать нагрев от мощных батарей.
- Космические аппараты многоразового использования — меньше вес, больше полезной нагрузки.
Пока материал прошел только лабораторные механические испытания и компьютерное моделирование. Следующий шаг — реальные детали для стендовых огневых испытаний двигателей. Если все пойдет по плану, первые промышленные образцы появятся через 4–6 лет.
