Коллектив ученых, в который вошли исследователи из Белгородского государственного национального исследовательского университета (НИУ «БелГУ») и Сколковского института науки и технологий, исследовали алюминиевые сплавы на уровне атомов и выявили закономерности, которые помогут улучшить их структуру. Полученные знания позволят в будущем разработать новые сплавы, отвечающие требованиям современного авиастроения.
По словам руководителя проекта, старшего научного сотрудника лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов НИУ «БелГУ» Марата Газизова, исследуемые Al-Cu-Mg-Ag сплавы применяют для изготовления обшивки крыльев и фюзеляжей воздушных судов. Достоинством алюминиевых сплавов для этой отрасли стала их легковесность, способность сопротивляться износу и разрушению при повышенных температурах, а также циклических и ударных нагрузках.
«Для придания алюминию необходимых характеристик в сплавы добавляют медь (Cu), магний (Mg), серебро (Ag) и некоторые другие элементы. Процесс называется легированием и способен значительно упрочнить материал после применения определенных режимов термической или термомеханической обработки», — пояснил Марат Газизов.
Система легирования Al-Cu-Mg-Ag позволяет получить сплавы с высокой жаропрочностью, однако, как отметил руководитель проекта, эволюция структуры и механических характеристик при различных режимах термической или термомеханической обработки, а также различных условиях эксплуатации недостаточно хорошо изучены на сегодняшний день, чем и был обоснован выбор темы исследования.
По словам ученого, сплавы применяются в качестве конструкционного материала для изготовления деталей и узлов, работающих при повышенных температурах. Эти детали требуют уникального сочетания прочности и вязкости разрушения, а также высокого сопротивления к распространению усталостных трещин.
«В настоящее время методы компьютерного моделирования в материаловедении уже не являются какой-то “магией”, а широко применяются для изучения эффектов, происходящих на атомном уровне. В исследуемом жаропрочном алюминиевом сплаве с небольшими добавками меди, магния и серебра экспериментальными методами было обнаружено выделение дисперсных частиц толщиной всего несколько нанометров, которые, несмотря на свои столь малые размеры, приводят к значительному улучшению прочности сплава. При этом нам удалось выяснить, что частицы являются когерентными – они встраиваются в алюминиевую матрицу как детали пазла с небольшими искажениями их атомной структуры. Также мы смогли определить как изменяется структура частиц, и, следовательно, механические свойства сплава при термической обработке», — пояснил Антон Боев, научный сотрудник Сколтеха.
Выполнение проекта позволяет расширить научные знания о природе уникальных механических свойств и структуре алюминиевых сплавов. Совокупность достигнутых механических свойств увеличит ресурс авиационных конструкций, производимых из данных материалов. Результаты работы опубликованы в журнале Materials Characterization. Часть оборудования, на котором проводилось исследование, была закуплена в рамках программы обновления приборной базы нацпроекта «Наука и университеты».