Неупорядоченный нанослой обеспечил сплаву со сверхрешеточной структурой ковкость и термостойкость

Китайские ученые создали сплав со сверхрешеточной структурой, который обладал выдающейся термостойкостью и ковкостью при комнатной температуре. Неупорядоченная структура межфазного нанослоя значительно отличалась от наблюдаемых ранее в подобных сплавах. Именно ее наличие позволяло материалу выдерживать нагрузки до 1,6 гигапаскалей и растягиваться на 25 процентов. Результаты исследования опубликованы в Science.

Сплавы с плотноупакованной упорядоченной структурой принадлежат классу структурных материалов, обладающих промежуточными свойствами между металлами и керамикой. Такие сплавы со сверхрешеточной структурой потенциально подходят для создания конструкций, которые испытывают большие нагрузки при высоких температурах. Однако они обладают плохой ковкостью и термической стабильностью, поэтому хрупкие при комнатных температурах и мягкие при высоких. Решить эту проблему можно, вырастив единичный большой кристалл, но осуществить это сложно, дорого и долго.

Тао Ян (Tao Yang) с коллегами из Городского университета Гонконга предположили, что свойства подобных сплавов можно усовершенствовать, образуя неупорядоченные наноразмерные области между фазами в сплаве. С помощью дуговой плавки, термомеханической обработки и контролируемого ввода нескольких химических элементов авторы синтезировали сплав из никеля, кобальта, железа, алюминия, титана и бора, изучили его структуру и механические свойства.

Полученные материалы обладали поликристаллической морфологией со средним размером зерен около 11 микрон. Зерна имели сверхрешеточную структуру, и разделялись неупорядоченным межфазным нанослоем. С помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии исследователи установили, что атомы титана и алюминия предпочитают находиться в вершинах ячеек кристаллической гранецентрированной кубической решетки, а центры граней преимущественно занимают атомы никеля и кобальта. Атомы железа занимают обе стороны подрешетки ячейки, что позволяет сплаву быть стехиометрическим. Такая структура подавляет образование хрупких гексагональных или тетрагональных фаз. 

Между фазами авторы обнаружили неупорядоченный пятинанометровый слой с гранецентрированной кубической структурой. В отличие от атомов никеля, алюминия и титана, атомы железа и кобальта в основном находились в этом межфазном слое. Зерна имели гомогенную структуру без локальных кластеров элементов одного типа, а в нанослое обнаружили агрегированные железо и кобальт, а также от одного до двух атомных процентов бора. Такая мультиэлементная сегрегация играла ключевую роль в разупорядочивании структуры слоя.

Материал обладал лучшим, чем обычные упорядоченные сплавы, сопротивлением термическому размягчению от 20 до 800 градусов Цельсия. Среднее значение твердости по Виккерсу при комнатной температуре составило 417 HV, а при 800 градусах Цельсия — 392 HV. В этом температурном диапазоне исследователи не заметили явного начала размягчения. Более того, даже при температуре 1000 градусов материал оставался довольно твердым, что делает его применимым для изделий, подвергающихся нагрузкам при высоких температурах.

Исследования процессов в межфазном нанослое при механических деформациях материала указали на то, что значительные дислокации атомов происходили лишь между зернами. Из-за этого материал обладал выдающейся пластичностью: выдерживал деформации растяжения до 25 процентов и нагрузки до 1,6 гигапаскалей при комнатной температуре.

По словам авторов, предложенный подход можно применить и для других металлических систем, в частности композиционно комплексных упорядоченных сплавов. Это может привести к появлению класса высокотемпературных структурных материалов с лучшими, чем у ныне использующихся сплавов, свойствами термической стабильности. Новый материал может пригодиться в создании самолетов и аэрокосмических аппаратов.

Микроструктура часто оказывает большое влияние на физические свойства материала. В прошлом году британские ученые напечатали на 3D-принтере прочнейший метаматериал, повторяющий кристаллические решетки сплавов после процедуры повышения прочности, которая обычно используются в металлургии. А на днях другая группа ученых сообщила о создании сплава с керамическими сферами, который обладал выдающейся прочностью за счет перевода энергии механического воздействия в локальные колебания.

Алина Кротова