Международная команда учёных, в которую вошли сотрудники НИТУ МИСИС и Университета Аль-Азхар (Египет), разработали новый сверхпрочный сплав для применения в аэрокосмической отрасли, автомобилестроении и в оборонной отраслях. В усовершенствованный состав вошло сразу несколько металлов и редкоземельных элементов, а для повышения пластичности, добавили хром, сообщает пресс-служба НИТУ МИСИС.
Сплавы алюминия с медью известны своей прочностью. Их производят в электрических печах при соблюдении точной пропорции: алюминий — это основа, а медь, по сути, идёт его легирующим элементом. Также в соединение часто добавляют кремний, магний, марганец. Но у них есть и свои недостатки — к примеру, из-за низких литейных свойств высоки риски образования трещин.
Поэтому, чтобы металл не трескался в процессе производства, чаще всего используют различные добавки, например, никель. Но и в этом способе есть свои минусы: никель хоть и повышает литейные свойства сплава, однако всплывает другой «косяк» — материал становится менее прочным после термической обработки.
Сварочное соединение алюминия и его сплавов склонно к образованию кристаллизационных трещин, что обусловлено растворением в металле водорода
Второй способ — поиск новых систем легирования. Учёные уже давно занимаются исследованием взаимодействия между различными элементами и их комбинированием. Наиболее перспективными для разработки высокоэффективных сплавов оказались тройные системы, такие как алюминий и медь в сочетании с церием, иттрием, эрбием или гадолинием.
Когда впервые начали использовать сплав из алюминия и меди?
История разработки сплавов алюминия и меди (дюралюминия) началась ещё в 1825 году с опытов датского ученого Ханса Кристиана Эрстеда. Он пытался добиться чистого алюминия с помощью электролиза, но на выходе получил дюралюминий. Массовые исследования начались в конце 20-х годов прошлого века в СССР, Германии и США. И в Союзе сплав алюминия и меди совершил настоящую революцию в советском авиастроении. До этого планеры Красной армии нуждались в частом ремонте, так как были подвержены быстрому разрушению из-за коррозии. С появлением дюралюминия удалось избавиться от проблемы, связанной с тяжестью крыльев, однако коррозия по-прежнему оставалась серьёзной темой. В 1932 году большевики разработали специальное оксидное покрытие, которое предохраняло металл от окисления, что стало прорывом в авиапроме.
В начале войны возникла проблема нехватки алюминия для производства военных самолётов. Часть заводов была оккупирована, работал на полную мощность только Уральский завод. На помощь пришёл американский ленд-лиз и подвиг рабочих Уральского завода, которые работали круглосуточно. После окончания Второй мировой изготовление дюралевых сплавов и их применение только расширялось. Помимо авиации их стали использовать в машиностроении, космонавтике, трубопрокате, металлургии и других отраслях промышленности.
Уникальные свойства сплава алюминия и меди
• Высокая прочность.
• Высокая теплопроводность.
• Устойчивость к коррозии.
• Высокая электропроводность.
Как российские и египетские учёные улучшили сплав?
Сегодня алюминиево-медные сплавы с добавлением магния или марганца применяются в авиации и космонавтике, при производстве автомобилей и скоростных поездов, для изготовления оборудования в лёгкой промышленности — везде, где требуются высокоэффективные материалы. Эти сплавы известны своей прочностью, однако обладают невысокой стойкостью к коррозии, и в таких материалах, как говорилось выше, могут образовываться трещины при литье. Да-да, проблема, с которой боролись советские учёные, так никуда и не делась.
В новом исследовании специалисты доработали состав и получили сплав с улучшенными свойствами. В него входит целый ряд компонентов, сбалансированных и усиливающих свойства друг друга.
«Новый сплав имеет высокую прочность, жаропрочность и технологичность при литье. Такое удачное сочетание обычно несочетаемых характеристик делает сплав универсальным и способным составить конкуренцию промышленным аналогам», — рассказал кандидат технических наук, доцент кафедры металловедения цветных металлов НИТУ МИСИС Андрей Поздняков.
Кандидат технических наук, доцент кафедры металловедения цветных металлов НИТУ МИСИС Андрей Поздняков
Так, добавление эрбия повысило прочность сплава и снизило склонность к горячим трещинам, хром взамен марганца позволил сделать материал более пластичным. А цирконий и титан придали материалу мелкозернистую структуру.
В 2018 году в журнале Materials Science and Technology впервые была опубликована концепция возможности создания новых литейных жаропрочных алюминиевых сплавов на основе системы алюминий-медь-иттрий. Впоследствии эта же концепция применена для новых систем легирования, в которых иттрий был заменён на эрбий, иттербий или гадолиний.
«Мы провели исследование по разработке новых алюминиевых сплавов, сочетающих высокий уровень литейных свойств и прочности при комнатной и повышенной температурах. Замена марганца на хром в ранее разработанной композиции позволила повысить пластичность при сохранении характеристик прочности», — рассказал к.т.н. Андрей Поздняков, доцент кафедры металловедения цветных металлов НИТУ МИСИС.
На пластичность влияет размер зёрен в сплаве, и именно сочетание циркония, хрома и титана позволяет получить мелкозернистую структуру. Интервал кристаллизации стал более узким. Это помогает точнее определить диапазон температур, при которых вещество переходит из жидкого состояния в твёрдое. Эрбий способствовал повышению прочности и повлиял на предел текучести — это напряжение, при котором деформации нарастают без увеличения прилагаемой нагрузки. Соответственно, чем меньше это значение, тем хуже прочностные характеристики металла и ниже нагрузки, при которых допустима эксплуатация изделий.
Российским и египетским учёным удалось добиться уникальных показателей, и их метод будет рассмотрен для внедрения в массовом производстве сверхпрочных изделий, которые применяются в стратегических отраслях.
Егор Петров
