Поиск - новости науки и техники

И в жар, и в холод. От сплавов будущего ждут суперстойкости

28.07.19

Развитие технологий для создания перспективной техники во многом зависит от появления новых металлических материалов. Речь идет о сплавах с комплексом улучшенных механических и технологических свойств. Однако возможности традиционного подхода к их получению, который основан на вариативности подбора элементов для легирования, изменяющих характеристики металла-матрицы (железа, алюминия, меди, никеля, титана и др.), практически исчерпаны. Получить новую методологическую базу металловеды мира надеются, развивая концепцию многокомпонентных высокоэнтропийных сплавов (ВЭС). Такое название они получили из-за больших величин конфигурационной энтропии, связанной с распределением атомов. Состоят ВЭС как минимум из нескольких основных элементов в приблизительно равных атомных пропорциях. Элементных комбинаций может быть множество, что позволяет образовывать сплавы с ранее неисследованными составами. А это дает шансы создавать новые металлические материалы, способные не только сохранять твердость и прочность при очень высоких температурах, но и уменьшать окисление, коррозию и износ поверхностей, обладающие повышенной вязкостью разрушения при криогенных температурах.
Исследованием специфических свойств ВЭС занимается относительно новое научное направление, возникшее в середине первого десятилетия XXI века.
Востребованность тематики, связанной с высокоэнтропийными сплавами, стремительно растет: увеличивается число публикаций как в профильных, так и престижных мультидисциплинарных журналах (Science, Nature и др), проводятся специализированные международные конференции, исследования по данной теме получают приоритетное финансирование научных фондов развитых стран и ведущих промышленных предприятий.

В России в этой области лидирует лаборатория «Объемные наноструктурные материалы», созданная в 2008 году в Белгородском государственном университете (с 2010 года – Белгородский национальный исследовательский университет, НИУ «БелГУ»). Именно здесь впервые в стране начались поисковые работы в области ВЭС, которые возглавил профессор, доктор технических наук Геннадий Салищев (на снимке), до этого руководивший в Уфе лабораторией Института проблем сверхпластичности материалов РАН. Сегодня сотрудники возглавляемого им коллектива реализуют проект по созданию перспективных сплавов и технологий для приоритетной авиакосмической отрасли, который получил поддержку Российского научного фонда (РНФ) в рамках конкурса лабораторий мирового уровня. В беседе с корреспондентом «Поиска» Геннадий Алексеевич обратил особое внимание на многоплановость научных задач, которые предстоит решить его коллективу.
– Идея экспериментировать с высокоэнтропийными сплавами может показаться контринтуитивной. Дело в том, что при взаимодействии металлы часто образуют между собой так называемые интерметаллидные химические соединения, а они, как правило, обладают очень низкой пластичностью, отметил Г.Салищев. – Казалось бы, это должно быть справедливо и для смеси нескольких металлических элементов, однако исследования показали: в высокоэнтропийных сплавах образование интерметаллидных соединений наблюдается не всегда либо его можно контролировать и получать привлекательные механические свойства. Например, в ВЭС на основе тугоплавких металлов могут образовываться структуры, состоящие из пластичной матрицы на основе твердого раствора, содержащей кубические частицы упорядоченной фазы (упорядоченное расположение атомов) и повышающей прочность в том числе при крайне высоких температурах. Такие структуры типичны для сплавов на основе никеля, широко применяемых в аэрокосмической отрасли из-за своих выдающихся свойств, недаром их часто называют суперсплавами. Однако возможности использования этих материалов ограничиваются относительно невысокой температурой плавления никеля (около 1450 оС). Получение ВЭС с похожей структурой, но из более тугоплавких элементов открывает путь к созданию новых жаропрочных материалов, и это – одна из целей нашего проекта.


Изыскания ученых БелГУ восполняют существенную нехватку таких исследований, которые системно связывают, с одной стороны, состав, структуру, механизмы деформации и упрочнения, индуцированные воздействием различных факторов фазовые превращения, а с другой, – свойства высокоэнтропийных сплавов. Данная работа актуальна как для области теоретического изучения металлических материалов, так и для развития технологий. Участники проекта намерены разработать подходы и алгоритмы для прогнозирования составов сплавов на новой методологической основе, улучшить комплекс их свойств путем микроструктурного дизайна и на этой базе найти технологические решения, позволяющие создавать образцы перспективной техники.
По словам Г.Салищева, успешность работы лаборатории и ее лидерскую позицию в этой области изысканий во много определило сотрудничество с РНФ.
– На данный момент наши авторы опубликовали около 40 статей, более половины из них – в журналах из первого квартиля. Многие работы хорошо цитируются и широко известны зарубежным коллегам, по этой тематике уже защищены три кандидатских диссертации.
Сотрудники лаборатории регулярно участвуют в представительных международных форумах как приглашенные докладчики, а ваш покорный слуга – член оргкомитета конференции International Conference on High-Entropy Materials (ICHEM 2018). Но не всегда дела в лаборатории шли так благополучно. Выполнив первый проект по теме высокоэнтропийных сплавов в 2009-2010 годах (в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»), мы долго не могли найти финансирование на исследования в данной области, и они продвигались тяжело. Развернуть активные изыскания позволил грант РНФ, полученный в рамках первого конкурса, проведенного фондом в 2014 году для отдельных научных групп, – рассказал профессор.
Отдача не заставила себя ждать: по итогам выполнения проекта ученые БелГУ создали новые сплавы из тугоплавких элементов, обладающие низкой плотностью, высокой прочностью и заметно опережающие по характеристикам никелевые суперсплавы и титановые на интерметаллидной основе. Такие применяют для изготовления ответственных деталей авиадвигателей, работающих при температурах до 700оС. Именно эти результаты, по словам руководителя лаборатории, и стали основой нового проекта «Перспективные сплавы и технологии для авиакосмической промышленности».
– ВЭС, предложенные ранее, мы надеемся довести до практического применения, – сообщил Геннадий Алексеевич. – Для этого нужно не только дополнительно улучшить их характеристики (мы уже понимаем, как это можно сделать), но и провести большую работу по исследованию поведения этих материалов в различных условиях. В результатах заинтересованы ведущие предприятия авиастроительной отрасли. Одно из них – уфимский Технопарк авиационных технологий – выступает в качестве индустриального партнера проекта. Мы рассчитываем, что наши сплавы позволят сделать более легкими и эффективными двигатели самолетов, а также собираемся предложить новые материалы для корпусов планеров.
Понятно, что внедрение научных результатов в промышленность – дело небыстрое, а нашим партнерам хотелось бы видеть осязаемые плоды сотрудничества в ближайшее время. Поэтому в рамках проекта запланировано проведение и других исследований по актуальным для технопарка проблемам, связанным с различными аспектами создания изделий из титановых сплавов (в частности, при изготовлении лопаток и других деталей авиадвигателей), а также при разработке методов соединения деталей из интерметаллидных титановых сплавов и технологий нанесения на них покрытий.
Участники проекта хорошо обеспечены экспериментальным оборудованием, а его требуется немало: предстоит детально изучить как структуру сплавов на разных уровнях, так и их уникальные свойства. Все необходимое у исполнителей под рукой, и исследовательская база непрерывно развивается. Не так давно, к примеру, была закуплена установка для вакуумной дуговой плавки, позволяющая оперативно получать слитки сплавов самых разных составов.
Помимо сотрудников Белгородского университета в проектный коллектив вошли несколько известных специалистов из Германии. В лаборатории профессора Г.Салищева работают в основном молодые люди в возрасте до 35 лет, и многие из них уже имеют серьезные достижения. Один из основных исполнителей проекта – кандидат технических наук Никита Степанов. В прошлом году он получил премию Scopus Awards Russia как один из самый цитируемых молодых ученых в России.
– Участие в проекте позволит и другим представителям молодежной части нашего коллектива, включая студентов и аспирантов, проявить себя, добиться существенных результатов – для этого у них есть много возможностей. По условиям проекта мы должны пригласить в команду не менее трех молодых кандидатов наук из других организаций. Уверен, что и они внесут свой весомый вклад в успех нашего исследования, – заключил Г.Салищев.

Татьяна ВОЗОВИКОВА

Нет комментариев