На этом изображении показаны обратные полюсы кобальт-алюминия и структура аморфных границ после деформации, демонстрирующая кристаллическую ориентацию интерметаллида кобальт-алюминий. Источник: Университет Пердью

Наноламинат кобальта и алюминия разрушил привычный компромисс между прочностью и гибкостью, став в 10 раз прочнее конструкционной стали, но при этом не став опасно хрупким.

Для реактивных двигателей нужны материалы, способные выдерживать воздействие высоких температур и давления, не сгибаясь, не растрескиваясь и не теряя форму. Однако у самых прочных материалов есть серьезный недостаток: они слишком хрупкие, чтобы их можно было безопасно деформировать.

Университета Пердью нашли способ преодолеть этот компромисс в кобальт-алюминиевом (CoAl) интерметаллическом соединении, которое потенциально может использоваться в высокопроизводительных турбинах. Изменив структуру материала на наноуровне, исследователи создали форму CoAl, которая обладает исключительной прочностью, но при этом может подвергаться значительной деформации при комнатной температуре.

Это достижение, о котором сообщается в Science Advances, может стать основой для более широкой стратегии по повышению практичности интерметаллических соединений, которые, как известно, хрупкие, для аэрокосмической, энергетической и оборонной отраслей.

Почему интерметаллиды разрушаются

Интерметаллиды содержат два или более металлических элемента, расположенных в высокоупорядоченной кристаллической структуре. Такой атомный порядок может обеспечить им удивительную прочность, высокую температуру плавления и устойчивость к ползучести — медленной деформации, которая происходит, когда материал находится под напряжением в течение длительного времени.

Эти свойства ценятся в реактивных двигателях, газовых турбинах, системах накопления энергии и автомобильных компонентах. Однако те же упорядоченные структуры, которые делают интерметаллиды прочными, могут препятствовать их легкой деформации. Вместо того чтобы сгибаться под действием силы, многие интерметаллиды разрушаются, особенно при комнатной температуре.

Постдокторант Университета Пердью Ке Сюй проводит наномеханические испытания in situ на сканирующем электронном микроскопе в Центре электронной микроскопии Университета Пердью. В ходе этих испытаний исследователи из Университета Пердью наблюдали, как им удалось добиться высокой прочности и пластичности в обычно хрупких материалах, называемых интерметаллидами кобальта и алюминия. Фото: Университет Пердью

CoAl иллюстрирует эту проблему. Это соединение достаточно прочное, чтобы его можно было использовать для изготовления сложных компонентов турбин, но из-за его хрупкости ему сложно придавать сложные формы, и оно не способно выдерживать внезапные механические нагрузки.

«Объемные интерметаллиды CoAl представляют собой высокопрочный сплав, — говорит автор исследования Синхан Чжан, профессор Школы материаловедения Университета Пердью. — Помимо прочего, они потенциально могут быть использованы в материалах следующего поколения для лопаток турбин авиационных двигателей — газотурбинных двигателей, создающих тягу для летательных аппаратов. Высокопрочные пластически деформируемые сплавы CoAl могут позволить двигателю или турбине вращаться быстрее, выдерживая более высокую центробежную силу, что повысит их эффективность».

Создание полезных кристаллических дефектов

Исследователи подошли к решению проблемы, намеренно вводя в материал дефекты.

В кристалле атомы обычно располагаются в повторяющемся геометрическом порядке. Дислокация — это микроскопическое нарушение этого порядка. Хотя дефекты часто ассоциируются с хрупкостью, дислокации могут позволить металлам менять форму, позволяя слоям атомов смещаться, а не разрушаться.

В CoAl обычно недостаточно подвижных дислокаций для существенной деформации при комнатной температуре. Предыдущие попытки повысить пластичность стали путем изменения ее состава или соединения с другими материалами имели лишь ограниченный успех.

Испытания на сжатие микростолбиков интерметаллических нанокомпозитов кобальта и алюминия, проведенные исследователями из Университета Пердью, показали, что команде удалось добиться для этих нанокомпозитов высокого предела текучести, превышающего 6 ГПа, устойчивого упрочнения до примерно 8,5 ГПа и пластической деформации при сжатии, превышающей 15%. Фото: Университет Пердью

Гибкие границы раздела раскрывают пластичность

Вместо этого команда из Университета Пердью встраивала дислокации непосредственно в CoAl в процессе его формирования. Они также создали сеть аморфных границ раздела — тонких границ, на которых атомы не имеют упорядоченного расположения, характерного для кристаллов.

«В этом исследовании мы показываем, что CoAl может проявлять значительную пластичность при комнатной температуре, предлагая новый, альтернативный подход к повышению способности к пластической деформации в CoAl», — сказал Ке Сюй, постдокторант Университета Пердью и первый автор исследования.

Эти гибкие внутренние границы действуют не только как пассивные разделители. Во время деформации части межфазных границ кристаллизуются и способствуют образованию дополнительных дислокаций, предоставляя окружающим слоям CoAl больше возможностей для поглощения энергии.

«Мы напрямую вводили дислокации в CoAl во время осаждения методом распыления, — говорит Чжан. — Что еще важнее, мы разработали структуру аморфных межфазных границ (ФАГ) — гибких границ в материалах, обеспечивающих структурную гибкость, которые частично кристаллизуются во время деформации и способствуют зарождению дислокаций в интерметаллидах CoAl».

Прочнее конструкционной стали

Полученный наноламинат достиг предела текучести в 6 ГПа (гигапаскалей — единица измерения давления), что примерно в 6–10 раз больше, чем у высокопрочной конструкционной стали. Предел текучести — это величина напряжения, которое может выдержать материал, прежде чем начнет необратимо деформироваться.

Несмотря на такую невероятную прочность, материал выдержал 15% пластической деформации при сжатии при комнатной температуре. Другими словами, он может подвергаться значительной необратимой деформации без немедленного разрушения.

«Такое сочетание сверхвысокой механической прочности и выдающейся пластичности делает современную наноламинатную систему CoAl одной из лучших известных на сегодняшний день интерметаллических систем», — сказал Сюй.

Создание сплава из пара

Команда изготовила материал методом магнетронного распыления. В ходе этого процесса атомы высвобождаются из исходного материала и оседают в виде тонкой пленки на другой поверхности. В отличие от обычного литья, при котором затвердевает расплавленный металл, распыление позволяет формировать материал непосредственно из пара сплава.

Этот нетрадиционный метод помог зафиксировать большое количество дислокаций внутри сплава CoAl, создав при этом аморфные границы раздела алюминия и кобальта.

«Этот неравновесный подход к производству позволяет нам превращать пары сплавов в твердые тела, создавая значительное количество дислокаций в CoAl, — говорит Чжан. — Нам удалось добиться высокой прочности и пластичности CoAl, чего невозможно добиться при традиционном литье».

Наблюдение за деформацией на атомном уровне

Исследователи сжимали материал, наблюдая за ним с помощью сканирующего электронного микроскопа. Такое тестирование in situ позволило им отследить, как меняется микроскопическая структура при деформации CoAl.

Профессор Хьюстонского университета Яшашри Кулкарни и аспирант Ананд Мэтью также провели молекулярно-динамическое моделирование, чтобы изучить процесс на атомном уровне. Их модели показали, что часть аморфных границ кристаллизуется под давлением и высвобождает дислокации в соседних слоях CoAl.

В совокупности эксперименты и моделирование показывают, что границы раздела действуют как активные источники пластической деформации. Вместо того чтобы ослаблять материал, они помогают ему реагировать на нагрузку, не теряя при этом своей исключительной прочности.

От нанослоев к компонентам турбин

Текущий материал представляет собой наноразмерную слоистую систему, полученную методом тонкопленочного осаждения, и пока не является полноценным компонентом турбины. Следующая задача исследователей — перенести ту же структурную концепцию на более крупные нанокомпозиты CoAl, которые можно было бы производить в промышленных масштабах.

«Мы также будем тестировать эту концепцию на других интерметаллидах, чтобы определить, насколько она применима для повышения пластичности этого класса металлов», — сказал Сюй.

Если этот подход сработает с другими соединениями, он может дать инженерам новый способ разработки материалов для условий, в которых обычные металлы не справляются. Вместо того чтобы выбирать между прочностью и деформируемостью, исследователи смогут добиться и того, и другого, контролируя места образования дефектов и то, как внутренние границы реагируют на нагрузку.

«Пластичные интерметаллиды значительно расширят наши возможности по разработке передовых материалов для аэрокосмической отрасли, освоения космоса, энергетики и обороны», — сказал Чжан.