Реактивні двигуни не вибачають помилок. Вони вимагають матеріалів, здатних витримувати екстремальні температури та механічні навантаження, не деформуючись, не тріскаючись, не втрачаючи форму та не повзуче руйнуючись під напругою.
Проблема в тому, що найміцніші кандидати часто виявляються дуже крихкими.
Інженери Університету Пердью щойно кинули виклик цьому правилу. Вони переробили кобальт-алюміній (CoAl) на нанорівні. Результатом став наношаровий кобальт-алюміній, міцністю в 10 разів перевищує міцність високоміцних конструкційних сталей.
І він не розколюється як скло.
Це відкриття, опубліковане в журналі “Science Advances”, відкриває нові шляхи для використання notoriously крихких інтерметалідів в аерокосмічній та оборонній промисловості.
Крихка природа інтерметалідів
Інтерметалеві сполуки складаються з двох або більше металів, атоми яких arranged в строго впорядковані кристалічні ґрати. Цей порядок забезпечує високу міцність. Він створює високі температури плавлення і опір повзучості — повільної деформації під тривалим впливом навантаження.
Ці властивості ідеально підходять для реактивних двигунів, газотурбінних установок та енергетичних систем. Але та сама атомна жорсткість є і проблемою.
Більшість інтерметалідів не гнуться. Вони ламаються. Особливо це проявляється за кімнатної температури.
«Окрім іншого, вони потенційно можуть бути використані для лопаток турбін наступного покоління в авіаційних двигунах… Високоміцні, пластично деформовані сплави дозволять двигуну обертатися швидше, витримуючи вищі відцентрові сили.» – Сінхан Чжан (Xinghang Zhang)
Кобальт-алюміній (CoAl) яскраво ілюструє цю дилему. Він є досить міцним для відповідальних компонентів. Але його крихкість унеможливлює виготовлення складних форм і робить матеріал уразливим перед раптовими механічними навантаженнями.
Має намір створення дефектів
Щоб усунути крихкість, зазвичай думають про зменшення дефектів. У разі дослідники пішли від зворотного.
В ідеальному кристалі атоми слідують строгому геометричному патерну. Дислокація – мікроскопічне порушення структури – зазвичай вважається дефектом. Але в металах дислокації дозволяють атомам ковзати один щодо одного. Це дає матеріалу можливість змінювати форму без руйнування.
CoAl не містить рухомих дислокацій за кімнатної температури. Спроби підвищити його пластичність шляхом зміни складу чи легування іншими матеріалами раніше не давали значних результатів.
Команда Пердью обрала інший шлях.
Вони впровадили дислокації безпосередньо у матеріал у процесі формування. Також вони створили мережу “аморфних інтерфейсів”. Це тонкі межі, де атоми позбавлені впорядкованої структури, характерної кристала.
Чому важливі аморфні інтерфейси
Ці гнучкі межі роблять більше, ніж просто поділяють верстви CoAl.
Під час деформації частини цих аморфних інтерфейсів частково кристалізуються. Цей процес стимулює утворення нових дислокацій. Ці дислокації дають навколишнім шарам CoAl додаткові шляхи поглинання удару.
«Ми спроектували структуру аморфних інтерфейсів… гнучкі межі у матеріалах для структурної гнучкості… які сприяють зародженню дислокацій.» – Сінхан Чжан (Xinghang Zhang)
Ке Сюй (Ke Xu), перший автор дослідження, зазначає, що цей підхід пропонує альтернативу для покращення здатності CoAl до пластичної деформації. Інтерфейси діють як активні джерела пластичності. Вони допомагають матеріалу реагувати на напругу, а не просто тріскати під його впливом.
Межа плинності в порівнянні з конструкційною сталлю
Цифри вражають.
Нанослоистий матеріал досяг межі плинності 6 ГПа (гігапаскалів). Для порівняння: високоміцна конструкційна сталь зазвичай має межу плинності від 04 до 05 ГПа. Цей новий сплав приблизно в 6-10 разів міцніший.
Межа плинності вимірює максимальну напругу, яку матеріал може витримати перед постійною деформацією.
І, незважаючи на екстремальну міцність, наношаровий CoAl витримав 15% пластичної деформації при стисканні при кімнатній температурі. Він здатний зазнавати значної постійної деформації і не руйнується миттєво.
«Це поєднання надвисокої механічної міцності та видатної пластичності робить поточну систему CoAl Nanolaminate однією з найкращих серед усіх інтерметалевих систем, про які повідомлялося на сьогоднішній день.» – Ке Сюй (Ke Xu)
Створення матеріалу з пари
Як створити такий матеріал? Традиційне лиття передбачає плавлення металу та його подальшу кристалізацію. Тут цей спосіб не підходить.
Команда використовувала магнетронне розпилення у вакуумі.
Атоми випаровуються з вихідного матеріалу та осаджуються тонким шаром на іншу поверхню. Цей «нерівноважний» підхід дозволяє матеріалу формуватися безпосередньо з парової фази.
Цей метод захоплює велику кількість дислокацій усередині CoAl. Він також створює ті самі критичні аморфні межі між алюмінієм та кобальтом. Традиційне лиття не здатне забезпечити таку специфічну комбінацію властивостей.
Спостереження деформації в реальному часі
Теорія корисна. Але доказ потребує спостережень.
Дослідники стискали матеріал усередині скануючого електронного мікроскопа. Це тестування in situ дозволило їм спостерігати мікроскопічні зміни в міру деформації CoAl.
Симуляції підтвердили візуальні дані. Професори Університету Х’юстона Яшашрі Кулькарні та студент Ананд Метью провели молекулярно-динамічне моделювання. Дані показали кристалізацію аморфних інтерфейсів під тиском. Це звільняло дислокації до сусідніх верств CoAl.
Експерименти підтвердили те, що передбачали симуляцію: ці інтерфейси активно сприяють пластичній деформації. Вони підсилюють здатність матеріалу витримувати навантаження, не жертвуючи його вherent міцністю.
За межами нанорівня
В даний час цей наношаровий CoAl являє собою систему тонких плівок. Це ще не потужна лопатка турбіни.
Наступний крок – масштабування. Дослідникиaimся перенести цю структурну концепцію на більші композити CoAl, здатні до промислового виробництва.
Вони також планують протестувати концепцію структури аморфних інтерфейсів на інших інтерметалідах. Якщо вона працює для різних сполук, вона стане універсальною стратегією покращення пластичності для всього класу цих металів.
«Пластичні інтерметаліки значно розширюють наші можливості у розробці передових матеріалів для аерокосмічної, енергетичної та оборонної промисловості.» – Сінхан Чжан (Xinghang Zhang)
Замість того щоб вибирати між міцністю та деформованістю, інженери скоро зможуть конструювати обидві властивості. Контролюючи місця утворення дефектів та реакцію кордонів, ми, можливо, нарешті розкриємо потенціал металів, які раніше вважалися непридатними.
Посилання на джерело:
«Plasticity in brittle intermetallic enabled by framework of amorphous Interfaces and Preexisting dislocations» авторами Ке Сюй, Анандом Метью, Чжунся Шан, Дебаргою Паулем, Сюанью Шен, Хайян Ван, Яшашрі Кулькарні і Синханом Чжан, 17.
DOI: 10.112/sciadv.ab0076
Фінансування надано програмою «Метали та металеві наноструктури» Національного наукового фонду США.
