Ученые улучшили свойства высокоэнтропийных сплавов, состоящих из нескольких элементов и отличающихся высокими температурами плавления. Прочность новых материалов при деформации повышается в 3,5 раза, при этом пластичность повышается на 35%. Такие сплавы могут найти применение в авиационной промышленности и медицине. Работа опубликована в журнале Scientific Reports. Исследования поддержаны Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).

В течение практически всей истории человечества технический прогресс во многом зависел от достижений в области создания новых металлических сплавов. Однако в последние десятилетия процесс их совершенствования заметно замедлился, одновременно с этим усилилась конкуренция со стороны других веществ, например пластиков, керамики и композитных материалов. Разумеется, это не означает закат эры металлов, поскольку доля изделий, выполненных из различных сплавов, по-прежнему чрезвычайно высока. Кроме того, исследователи, работающие в области физики металлов, продолжают поиски новых перспективных подходов, среди которых можно выделить создание так называемых высокоэнтропийных сплавов. Обычные, известные нам в быту сплавы основаны на одном элементе, например, алюминии, титане, меди и многих других. К этой основе уже добавляется сравнительно небольшое количество дополнительных элементов, обеспечивающих требуемые свойства. Например, известно, что углерод повышает прочность сталей, а добавление хрома увеличивает их устойчивость к коррозии. Высокоэнтропийные сплавы, напротив, содержат несколько, обычно не менее пяти, основных элементов, взятых в приблизительно равных пропорциях. Это позволяет получать уникальные свойства, необходимые для разнообразных применений. Так, сплавы, полученные из смеси тугоплавких элементов, демонстрируют рекордную прочность при высоких температурах. Это делает их привлекательными для авиастроения.

Исследованием высокоэнтропийных сплавов занимается научная группа из Белгородского государственного национального исследовательского университета (БелГУ, Белгород) под руководством профессора Геннадия Салищева. Одна из проблем, решением которой занимаются в лаборатории, — низкая пластичность тугоплавких сплавов, вызывающая их быстрое разрушение при деформации. Исследователи предложили ряд новых обогащенных титаном материалов, в состав которых входили олово и тантал; оказалось, что свойства этих элементов могут стать решением проблемы. Образцы сплавов испытали на растяжение. Оказалось, что новые материалы обладают впечатляющей способностью к деформационному упрочнению — их прочность заметно повышается в процессе растяжения, при этом также сохраняется и высокая пластичность. Эффект достигается за счет фазового превращения: мягкая фаза при механическом воздействии постепенно сменяется более твердой. Ученые подробно исследовали происходящие в ходе деформации изменения в структуре материалов.

Обычный и высокоэнтропийный сплавы. Источник: Н...

Обычный и высокоэнтропийный сплавы. Источник: Никита Степанов/БелГУ

«По сравнению со сплавом, от которого мы отталкивались, прочность выросла в 3,5 раза одновременно с повышением пластичности на 35%. Основной областью применения предложенных сплавов мы считаем авиационную промышленность. Например, они окажутся востребованы для изготовления легких и надежных деталей корпусов самолетов. Кроме того, благодаря хорошей биосовместимости компонентов сплавов, они также могут использоваться для изготовления имплантатов в ортопедии и травматологии», — рассказывает Никита Степанов, один из авторов работы, исполнитель проекта по гранту РНФ, кандидат технических наук, старший научный сотрудник БелГУ.

В работе также принимали участие сотрудники Харьковского физико-технического института.