Для реактивних двигунів потрібні матеріали, здатні витримувати величезні температури та навантаження без вигину, розтріскування чи поступової втрати форми. Однак найміцніші кандидати часто мають істотний недолік: вони надто крихкі, щоб безпечно деформуватися.
Інженери Університету Пердью знайшли спосіб подолати цей компроміс у кобальт-алюмінієвому (CoAl), інтерметалічному з'єднанні, що потенційно використовується у високопродуктивних турбінах. Перепроєктувавши матеріал на нанорозмірному рівні, дослідники створили форму CoAl, яка виключно міцна, але при цьому може зазнавати значної деформації при кімнатній температурі.
Це досягнення, про яке повідомляється в журналі Science Advances, може вказувати на ширшу стратегію підвищення практичності відомих своєю крихкістю інтерметалідів для аерокосмічної, енергетичної та оборонної галузей.
Чому інтерметалічні сполуки руйнуються
Інтерметалічні сполуки містять два або більше металевих елементів, розташованих у високоупорядкованій кристалічній структурі. Цей атомний порядок може надавати їм чудової міцності, високих температур плавлення та стійкості до повзучості — повільної деформації, яка відбувається, коли матеріал перебуває під напругою протягом тривалого часу.
Ці властивості цінні у реактивних двигунах, газових турбінах, системах зберігання енергії та автомобільних компонентах. Однак ті ж упорядковані структури, які роблять інтерметаліди міцними, можуть також перешкоджати їхній легкій деформації. Замість того щоб згинатися під дією сили, багато з них руйнуються, особливо при кімнатній температурі.
CoAl ілюструє цю проблему. З'єднання досить міцне, щоб розглядатися для використання в складних компонентах турбін, але його крихкість ускладнює виготовлення складних форм і обмежує здатність його витримувати раптові механічні навантаження.
"Об'ємні інтерметаліди CoAl - це високоміцні сполуки", - сказав провідний автор дослідження Сінхан Чжан, професор Школи матеріалознавства Університету Пердью. "Серед інших застосувань, вони потенційно можуть бути використані в матеріалах наступного покоління для лопаток турбін авіаційних двигунів, які є газотурбінними двигунами, що створюють тягу для руху літальних апаратів. Високоміцні, пластично деформовані сплави CoAl можуть дозволити двигуну або турбокомпресору обертатися швидше, витримуючи при цьому вищу відцентрову силу, що покращить їх характеристики."
Розробка корисних кристалічних дефектів
Дослідники підійшли до проблеми, навмисно вводячи у матеріал дефекти.
У кристалі атоми зазвичай слідують геометричному малюнку, що повторюється. Дислокація – це мікроскопічне порушення цього малюнка. Хоча дефекти часто пов'язані зі слабкістю, дислокації можуть надавати металам можливість змінювати форму, дозволяючи шарам атомів рухатися, а не розпадатися.
CoAl зазвичай недостатньо рухливих дислокацій для істотної деформації при кімнатній температурі. Попередні спроби покращити його пластичність шляхом зміни складу чи поєднання з іншими матеріалами мали лише обмежений успіх.
Гнучкі інтерфейси розкривають пластичність
Натомість команда з Університету Пердью створювала дислокації безпосередньо в CoAl у процесі його формування. Вони також створили мережу аморфних інтерфейсів — тонких кордонів, де атоми не мають упорядкованого розташування, характерного для кристала.
"У цьому дослідженні ми показали, що CoAl може виявляти значну пластичність при кімнатній температурі, пропонуючи новий, альтернативний підхід до покращення здатності до пластичної деформації в CoAl", - сказав Ке Сюй, науковий співробітник Університету Пердью та головний автор дослідження.
Ці гнучкі внутрішні кордони діють як пасивні роздільники. Під час деформації частини інтерфейсів кристалізуються та сприяють генерації додаткових дислокацій, надаючи навколишнім шарам CoAl більше можливостей для поглинання сили.
"Ми безпосередньо вводили дислокації в CoAl під час магнетронного напилення", - сказав Чжан. "Що важливіше, ми розробили структуру аморфних інтерфейсів (FAI) — гнучких кордонів у матеріалах для забезпечення структурної гнучкості, які частково кристалізуються під час деформації та сприяють зародженню дислокацій в інтерметалідах CoAl."
Міцніше конструкційної сталі
Отриманий наноламінат досяг межі плинності 6 ГПа (гігапаскалів, одиниця вимірювання напруги), що приблизно в 6-10 разів вище, ніж у високоміцної конструкційної сталі. Межа плинності вимірює величину напруги, яку матеріал може витримати до початку необоротної деформації.
Попри таку екстремальну міцність, матеріал витримав 15% пластичної деформації при стиску при кімнатній температурі. Іншими словами, він міг зазнавати значної незворотної деформації без негайного руйнування.
"Це поєднання надвисокої механічної міцності й видатної пластичності робить створену систему наноламінатів CoAl однією з найкращих інтерметалічних систем, описаних сьогодні", - сказав Сюй.
Створення сплаву з пари
Команда одержала матеріал за допомогою магнетронного розпилення. В ході цього процесу атоми вивільняються з вихідного матеріалу та осаджуються у вигляді тонкої плівки на іншій поверхні. На відміну від традиційного лиття, при якому розплавлений метал твердне, розпилення дозволяє формувати матеріал безпосередньо з пари сплаву.
Цей нетрадиційний метод допоміг захопити велику кількість дислокацій усередині CoAl, одночасно створюючи аморфні межі розділу алюміній-кобальт.
"Цей нерівноважний підхід до виготовлення дозволяє нам створювати матеріали з пари сплаву у твердий стан, вводячи значну кількість дислокацій у CoAl", - сказав Чжан. "Ми змогли досягти значної міцності та пластичності CoAl, чого неможливо досягти за допомогою традиційного лиття."
Спостереження за деформацією в атомному масштабі
Дослідники стискали матеріал, спостерігаючи за ним у сканувальному електронному мікроскопі. Це тестування in situ дозволило відстежувати, як змінюється мікроскопічна структура при деформації CoAl.
Професор Університету Х'юстона Яшашрі Кулкарні та аспірант Ананд Метью також провели моделювання методом молекулярної динаміки для вивчення процесу на атомному рівні. Їхні моделі показали, що частини аморфних інтерфейсів кристалізуються під тиском і вивільняють дислокації в сусідні шари CoAl.
У сукупності експерименти та моделювання показують, що інтерфейси функціонують як активні джерела пластичної деформації. Замість ослаблення матеріалу вони допомагають йому реагувати на напругу, не жертвуючи при цьому винятковою міцністю.
Від наношарів до компонентів турбін
Нині використовується нанорозмірна шарувата система, отримана методом осадження тонких плівок, а не об'ємний компонент турбіни. Наступне завдання дослідників — перенести ту саму структурну концепцію на більші нанокомпозити CoAl, які можна було б виробляти у промислових масштабах.
"Ми також тестуватимемо цю концепцію з використанням інших інтерметалідів з метою встановлення загальної застосовності FAI для підвищення пластичності в цьому класі металів", - сказав Сюй.
Якщо цей підхід виявиться ефективним і для інших сполук, він може надати інженерам новий спосіб проєктування матеріалів для умов, у яких традиційні метали мають труднощі. Замість вибору між міцністю та деформованістю дослідники зможуть керувати й тим, і іншим, контролюючи місця утворення дефектів та те, як внутрішні кордони реагують на вплив сили.
"Пластичні інтерметаліди значно розширять наші можливості щодо проєктування передових матеріалів для аерокосмічної галузі, космічної промисловості, енергетики та оборони", - сказав Чжан.
