Как ученые получили более прочный материал

Ученые из университета науки и технологий МИСИС создали сплав для самолетов будущего. Он представляет собой четырехкомпонентное соединение, которое, кроме алюминия — традиционного авиационного металла, включает в себя железо, кальций и медь.

Особенность внутренней структуры сплава — в аккуратной кристаллической решетке, в которой отдельные атомы плотно упакованы друг с другом. Это дает возможность создавать заготовки без трещин и иных дефектов. Кроме того, в нем подавлено вредное влияние примесей железа. Этот элемент вместо того, чтобы портить материал, делая его ломким, объединяясь с другими добавками, образует особые прочные частицы, которые, наоборот, укрепляют весь сплав.

В результате новый материал легко прокатывается в листы, не трескается при высокой температуре и после специальной обработки становится очень твердым.

— Железо — неизбежный компонент в алюминиевых сплавах. Оно может попадать в него как из первичного алюминия, так и в процессе изготовления переработки вторичного сырья. Когда в сплаве появляется железо, оно образует острые, игольчатые кристаллы, которые делают металл хрупким. Добавление кальция формирует особую эвтектическую фазу (равномерную однообразную смесь. — «Известия») и обеспечивает устойчивую структуру, — пояснил один из разработчиков, доктор технических наук, старший научный сотрудник кафедры обработки металлов давлением НИТУ МИСИС Торгом Акопян.

Как объяснили ученые, в результате полученный материал сочетает в себе легкость и прочность, которая характерна для авиаконструкций. Это делает сплав перспективным для изготовления обшивочных панелей летательных аппаратов. Кроме того, новое соединение при застывании образует равномерную, без внутренних напряжений и трещин структуру. Благодаря чему разработка подходит для применения в процессах 3D-печати сложных деталей.

Авиационный сплав нового поколения

По словам разработчиков, новый материал может заменить АК4-1 — классический жаропрочный деформируемый сплав, который уже в течение нескольких десятилетий используют в авиационной и космической промышленности.

— Основной недостаток традиционного сплава — необходимость использования дорогостоящей добавки никеля в относительно больших количествах. В новой разработке в качестве альтернативы использована добавка гораздо более дешевого и легкого элемента — кальция в совокупности с железом, который также присутствует и в промышленном сплаве, — пояснил Торгом Акопян.

Он добавил, что строгое ограничение концентрации железа в первичном алюминии приводит к высокой стоимости материала. Это так называемый алюминий высокой чистоты. Предложенная же формула позволяет задействовать для изготовления авиационных изделий алюминий технической чистоты, а также металл, полученный в процессе переработки лома и отходов.

Вместе с тем, как отметил один из разработчиков, доктор технических наук, главный научный сотрудник кафедры обработки металлов давлением НИТУ МИСИС Николай Белов, однородная структура нового сплава предотвращает появление трещин при 3D-печати больших деталей.

— Новый материал содержит в структуре достаточно большое количество составляющей под названием «эвтектика», он может быть перспективен для технологий 3D-печати, основанных на появлении жидкой фазы. Мы ожидаем, что формирующаяся в процессе 3D-печати тонкая структура эвтектики позволит достичь как высокой технологичности материала при изготовлении изделий данным методом, так и высоких механических характеристик (прочность, износостойкость и т.д.) готового изделия, — пояснил специалист.

Внедрение в производство

При внедрении на промышленные предприятия разработка позволит существенно удешевить производство, считают эксперты. Кроме авиации, предложенный материал также перспективен в машиностроении и других высокотехнологичных отраслях.

В дальнейшем ученые планируют добавить в состав сплава марганец, кремний и микродобавку циркония. Это улучшит устойчивость материала к экстремальным температурам и образованию коррозии.

— Предложенная разработка — сплав нового поколения, поскольку традиционно кальций в алюминиевых сплавах считался вредной примесью, и стандарты строго ограничивали его содержание. Однако сейчас ученые рассматривают целенаправленное добавление этого элемента как способ создания принципиально новых материалов, — объяснил «Известиям» ведущий научный сотрудник Института цветных металлов и материаловедения Сибирского федерального университета Александр Безруких.

В частности, кальций позволяет модифицировать структуру сплава, делая ее более мелкозернистой и однородной. А также он позволяет связывать вредные примеси (например, тоже железо), что предотвращает образование хрупких частиц и улучшает пластичность, отметил специалист.

В настоящее время производство авиаконструкций из лома не распространено, но разработка ученых, возможно, позволит шагнуть в этом направлении. Вовлечение лома в производственный цикл удешевит стоимость готовых изделий.

— Проблема хрупкости, особенно для материалов аэрокосмического назначения, сохраняет свою актуальность. При этом повышение трещиностойкости должно быть неразрывно связано с сохранением или улучшением других ключевых свойств материала, например, прочности, — поделился мнением начальник лаборатории «Моделирование композиционных материалов и конструкций» передовой инженерной школы МАИ Николай Турбин.

Вместе с тем необходимо понимать: для допуска материала к применению в ответственных конструкциях в обязательном порядке проводят так называемую специальную квалификацию, подчеркнул он. В ее рамках устанавливают принципиальную пригодность материала-кандидата для работы в предельных эксплуатационных условиях — под воздействием заданных температур, влажности и других факторов.

При этом разработка и внедрение нового материала всегда дороже, чем проектирование самой конструкции. Это связано с необходимостью проведения огромного комплекса испытаний, отработки технологических процессов и создания полного пакета конструкторской и технологической документации, добавил он.