Исследователи выяснили, как увеличить прочность сплавов будущего

Ученые НИТУ МИСИС совместно с коллегами разработали способ повысить прочность сплава, который может быть востребован в атомной энергетике, авиации и космосе. Исследователям удалось выяснить, почему реальные свойства подобных материалов иногда отличаются от ожидаемых, и найти путь к решению этой проблемы. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of Materials Science.

Обычно традиционные металлические сплавы включают несколько основных компонентов, влияющих на прочность и пластичность. Например, бронза, состоящая примерно из 80% меди и 20% олова, обладает большей твердостью, чем отдельные металлы. Свойства таких материалов можно дополнительно улучшать, добавляя небольшое количество других элементов — этот процесс называется легированием.

Существует и другой тип металлических сплавов — высокоэнтропийные сплавы, которые содержат не менее пяти химических элементов, взятых в примерно равных количествах. Благодаря своей структуре они обладают высокой прочностью, устойчивостью к высоким температурам, коррозии и радиационному воздействию. По этим причинам высокоэнтропийные сплавы интересны для атомной отрасли, химического машиностроения, создания микроэлектромеханических систем и производства алмазных инструментов, отметил один из авторов исследования, член-корреспондент РАН Евгений Левашов.

Однако иногда свойства этих материалов на практике оказываются хуже, чем предполагалось теоретически. Так, популярный сплав на основе кобальта, хрома, меди, железа и никеля (CoCrCuFeNi) выделяется экономичностью и технологичностью, но на деле демонстрирует более низкие механические характеристики, чем ожидалось, что вызвало дискуссию среди специалистов.

Команда исследователей из НИТУ МИСИС, ИНМЭ РАН и Каталонского института нанонауки и нанотехнологий обнаружила основную причину снижения прочности сплава CoCrCuFeNi — критическую роль меди в его структуре. Наблюдения показали, что под действием нагрузки локализация напряжений и появление трещин происходят именно внутри медных зерен, что запускает процесс разрушения материала. Особенно актуальна эта проблема для микро- и наноразмерных устройств, где размеры составляющих материала сопоставимы с размерами конечного изделия.

Выводы ученых позволяют предложить способы повышения прочности сплава CoCrCuFeNi: можно уменьшить содержание меди или воспользоваться специальными технологиями обработки, а также увеличить долю никеля, который способствует растворению меди.

Авторы отмечают, что эти результаты не только проясняют причины разрушения высокоэнтропийных сплавов, но и открывают путь к созданию новых материалов с улучшенным сочетанием прочности и пластичности. Их можно использовать при изготовлении композитов с алмазным наполнением, защитных покрытий, элементов энергетического оборудования и других высокотехнологичных изделий.

Работа проведена при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-79-10144-П).