Учёные Университета МИСИС разработали новый композитный материал, который сочетает высокую прочность, устойчивость к износу и термостойкость. Наночастицы оксида алюминия укрепили структуру сплава и снизили его склонность к окислению. Разработка перспективна для применения в авиации, энергетике и машиностроении.
Традиционные стали и сплавы нередко теряют прочность при нагреве, что ограничивает срок их службы и повышает риск аварий. Современная промышленность нуждается в материалах, которые могут сохранять свойства в условиях высоких температур и давления. Поэтому учёные ищут альтернативы, способные объединить высокую прочность, стойкость и долговечность. Например, для изготовления двигателей, турбин, энергетических установок.
«Одним из самых перспективных материалов считается высокоэнтропийный сплав, состоящий, как правило, из пяти и более металлов, концентрация которых находится в интервале от 5 до 35 ат. %. Такое сочетание создаёт особую микроструктуру, благодаря которой сплавы отличаются высокой твёрдостью и стабильностью при нагреве. Однако даже они могут разрушаться из-за трещин и окисления при длительной работе», — отметил д.ф.-м.н. Дмитрий Штанский, директор научно-исследовательского центра «Неорганические наноматериалы» НИТУ МИСИС.
Коллектив ученых НИТУ МИСИС предложил способ повысить надёжность таких сплавов. Исследователи добавили в сплав из хрома, железа, кобальта, никеля и меди наночастицы оксида алюминия, размером всего несколько десятков нанометров. Эти частицы распределяются по структуре материала и препятствуют проникновению кислорода — основного фактора разрушения при высоких температурах.
Полученный материал стал прочнее на 29%, твёрже на 27%, а его износостойкость увеличилась в шесть раз. При нагреве до 750°C скорость окисления снизилась в два раза. Даже после длительного нагрева композит сохраняет пластичность и не разрушается при сжатии. Подробные результаты опубликованы в научном журнале Journal of Alloys and Compounds (Q1). Улучшение свойств связано с особенностями структуры: наночастицы оксида алюминия «скрепляют» кристаллические зёрна и замедляют движение атомов кислорода, предотвращая образование микротрещин. Такой подход позволяет сочетать высокую прочность и пластичность.
«Новый композит может найти применение при изготовлении элементов, которые подвергаются высоким нагрузкам и температурным перепадам: деталей турбин и компрессоров, клапанов двигателей, сопловых элементов, защитных покрытий, а также контактных поверхностей электротехнического оборудования», — сказал инженер научного проекта научно-исследовательского центра «Неорганические наноматериалы» НИТУ МИСИС Умеджон Нарзуллоев.
Работа выполнена при поддержке гранта Минобрнауки России (№ FSME-2022-0008).
