Одной из главных проблем жаропрочных материалов остается компромисс между прочностью и пластичностью. Интерметаллиды — соединения двух или более металлов с упорядоченной кристаллической структурой — выдерживают экстремальные температуры и нагрузки, но при этом очень хрупкие. Вместо того чтобы изгибаться под воздействием силы, они быстро разрушаются, что ограничивает их применение, например, в лопатках турбин реактивных двигателей.
Исследователи предложили отказаться от изменения химического состава материала и вместо этого перепроектировать его внутреннюю структуру. В качестве основы они выбрали интерметаллид кобальта и алюминия (CoAl), который считается перспективным для авиации, но практически не используется из-за своей хрупкости.
Для создания нового материала ученые использовали метод магнетронного распыления: атомы кобальта и алюминия испаряли из исходного сплава и осаждали на поверхность, формируя тонкие слои материала. В отличие от традиционного литья, такой способ позволяет управлять структурой CoAl на наноуровне. Исследователи специально создали в кристаллической решетке большое количество дислокаций — микроскопических нарушений, которые позволяют материалу деформироваться, а не разрушаться. Кроме того, между слоями они сформировали аморфные границы, где атомы расположены менее упорядоченно. При нагрузке эти границы помогают создавать новые дислокации, благодаря чему материал поглощает механическое напряжение и сохраняет высокую прочность.
Испытания показали, что новый наноламинат обладает пределом текучести (напряжением, которое материал может выдержать до начала необратимой деформации) около 6 ГПа — это в 6–10 раз выше, чем у высокопрочной конструкционной стали. Материал демонстрировал устойчивое упрочнение вплоть до 8,5 ГПа, а также выдержал более 15% пластической деформации при комнатной температуре без разрушения.
Наблюдения в сканирующем электронном микроскопе и компьютерное моделирование подтвердили, что ключевую роль в этом играет работа аморфных границ, которые активно генерируют новые дислокации во время деформации.
Пока технология существует в виде тонкопленочного наноламината и еще не готова к промышленному применению. Следующим этапом станет перенос этой архитектуры на объемные детали, пригодные для изготовления компонентов турбин и другой техники. Кроме того, исследователи планируют проверить, можно ли использовать аналогичный подход для других интерметаллидов.
Если метод окажется универсальным, он позволит создавать материалы нового поколения, одновременно обладающие сверхвысокой прочностью и пластичностью для авиационной, космической, энергетической и оборонной отраслей.
