Китайские материаловеды создали металлический сплав, способный выдерживать механические нагрузки при температуре до 2400 градусов Цельсия. Разработка закрывает один из главных пробелов современной инженерии, поскольку существующие металлы при подобном нагреве плавятся либо быстро теряют прочность.
Материал разработала группа учёных Сианьского транспортного университета под руководством профессора Цзюня Суня. Основой нового сплава стал тантал, температура плавления которого приближается к 3000 градусам Цельсия. Высокая жаростойкость делает тантал перспективным металлом для экстремальных условий, однако традиционные танталовые сплавы заметно ослабевают при сильном нагреве.
Исследователи усилили тантал наночастицами оксида гафния диаметром около 50 нанометров. Добавление бора помогло равномерно распределить частицы внутри зёрен металла и защитить микроструктуру от разрушения при продолжительном нагреве. Авторы научной работы называют материал бор-стабилизированным оксидно-дисперсионно-упрочнённым сплавом на основе тантала.
Испытания показали, что предел текучести сплава достигает примерно 200 мегапаскалей при 2000 градусах Цельсия и сохраняется на уровне около 100 мегапаскалей при 2400 градусах Цельсия. Подобных показателей среди пластичных металлических сплавов исследователи прежде не фиксировали.
При комнатной температуре предел прочности материала превышает 800 мегапаскалей, а относительное удлинение перед разрушением составляет около 35%. Сочетание прочности и пластичности позволяет обрабатывать сплав и изготавливать детали сложной формы. Учёные смогли прокатать заготовку в лист толщиной два миллиметра без образования трещин.
Большинство металлов начинает быстро терять механические свойства после нагрева примерно до 60% от температуры плавления. Тепловое движение ускоряет рост зёрен, разрушает дислокационную структуру и укрупняет упрочняющие частицы. Привычные способы повышения прочности при подобных температурах практически перестают работать.
Новый сплав решает проблему благодаря равномерно распределённым частицам оксида гафния. Атомы бора скапливаются вокруг наночастиц, укрепляют границу между оксидом и металлической основой и мешают частицам увеличиваться при нагреве. После испытаний при 2000 градусах Цельсия средний диаметр включений сохранился на уровне около 50 нанометров.
Никелевые суперсплавы, широко применяемые в авиационных двигателях, не подходят для эксплуатации при температуре выше 2000 градусов Цельсия. Новый танталовый материал сохраняет структурную целостность в диапазоне от 2000 до 2400 градусов Цельсия и превосходит традиционные жаропрочные сплавы на основе тантала, ниобия и молибдена.
При 2000 градусах Цельсия прочность разработки примерно вдвое превышает показатели танталовых сплавов T-222 и Astar-811C, созданных для аэрокосмической промышленности. При 2400 градусах Цельсия новый материал демонстрирует сопоставимую прочность с T-222, нагретым до температуры на 500 градусов ниже.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature . Авторы рассматривают разработку как основу для компонентов гиперзвуковых летательных аппаратов и ядерных реакторов нового поколения. Жаропрочный материал также может пригодиться в ракетных двигателях, соплах, камерах сгорания, газовых турбинах и системах тепловой защиты космических аппаратов.
Более высокая рабочая температура позволит повысить эффективность силовых установок, уменьшить зависимость от систем охлаждения и увеличить срок службы нагруженных деталей. Инженеры также смогут проектировать аппараты для условий, которые пока остаются недоступными для обычных металлических сплавов.
Исследователи пока подтвердили характеристики материала только во время сравнительно коротких испытаний. Перед промышленным внедрением разработчикам потребуется изучить поведение сплава при длительных нагрузках, многократных циклах нагрева и охлаждения, окислении и коррозии. Производителям также понадобится экономичный способ изготовления крупных деталей с однородной микроструктурой.
Дополнительным препятствием остаётся высокая стоимость тантала. Массовое применение разработки будет зависеть от возможности снизить расходы на производство без ухудшения прочности, пластичности и устойчивости к экстремальному нагреву.