Российские учёные разработали линейку жаростойких и прочных сплавов, которые могут найти применение при создании авиационных двигателей. В современных двигателях газ может разогреваться до 1650 °С. Большинство металлов не выдерживает такие температуры. Применять тугоплавкие металлы в чистом виде тоже нельзя: они хрупкие и легко окисляются. Поэтому конструкторы и металлурги ищут оптимальные комбинации разных металлов, которые давали бы в сумме нужный результат — устойчивый к высоким температурам и прочный сплав. Авторы работы создали такой сплав на основе ниобия, титана и хрома, и по итогам экспериментов он показал оптимальные результаты.
Учёные из Белгородского государственного национального исследовательского университета, Университета науки и технологий МИСИС (Москва) и Санкт-Петербургского государственного морского технического университета разработали новые жаростойкие и прочные сплавы для авиационных двигателей. Специалисты в лабораторных условиях экспериментально установили, что наилучшие показатели прочности у сплава ниобия и хрома, а жаростойкости — у сплава ниобия, титана и хрома. Об этом RT сообщили в пресс-службе РНФ. Исследование поддержано грантом фонда. Результаты опубликованы в журнале Scripta Materialia.
В современных авиационных двигателях газ разогревается до 1200—1650 °С. Ещё задолго до достижения таких температур обычные металлы начинают деформироваться, а затем и плавиться. Чтобы решить эту проблему, применяются особые жаропрочные сплавы на основе никеля, принудительно охлаждаемые и защищённые покрытиями. В последнее время на замену таких сплавов рассматриваются тугоплавкие металлы, которые имеют очень высокую температуру плавления и стойкость к изнашиванию.
Gettyimages.ru / © Monty Rakusen
Однако многие тугоплавкие металлы имеют ряд недостатков — например, они хрупкие и легко окисляются. Поэтому конструкторы и металлурги ищут оптимальные комбинации металлов, в которых их полезные свойства проявляются максимально, а негативные — минимально. Комбинации, в состав которых входят пять и более различных металлов в равном соотношении, называются высокоэнтропийными сплавами. Раньше считалось, что чем больше тугоплавких компонентов в таком сплаве, тем лучше будут его характеристики.
Например, хром и ниобий имеют высокие температуры плавления (1857 и 2477 °C соответственно), и считалось, что добавление к ним титана и циркония создаст сплавы с превосходной прочностью при высоких температурах (свыше 1000 °С) и улучшенной стойкостью к окислению.
В новом исследовании учёные изготовили 12 различных сплавов, чтобы проверить, какие из них больше подойдут для конструкционного применения. Специалисты создали комбинации из четырёх тугоплавких металлов — ниобия, хрома, титана и циркония — и сравнили их комбинации, проведя серию экспериментов для исследования прочности и жаростойкости.
Чтобы проверить прочность, исследователи сжимали образцы на экспериментальной установке при различных температурах — от комнатной до 800 °С. Самый высокий показатель оказался у сплава ниобия и хрома — в три раза прочнее других.
Для оценки жаростойкости материалов учёные выдерживали сплавы в печи при 1000 °С. По словам специалистов, можно разделить сплавы на жаростойкие и те, которые подвержены агрессивному воздействию кислорода и не могут использоваться при высоких температурах без защитных покрытий. В этом эксперименте самый высокий результат продемонстрировал сплав из трёх компонентов: ниобия, титана и хрома.
Gettyimages.ru / © SafakOguz
Учёные также выяснили, что добавление циркония оказывает негативное влияние на жаростойкость сплава, так как препятствует формированию защитного слоя на поверхности материала.
По словам специалистов, они продолжат изучение разработанных сплавов, чтобы оценить возможность их промышленного применения.
«Предположительно, сплав ниобия, титана и хрома или сплав ниобия и хрома можно использовать при производстве двигателей нового поколения для авиастроения и космической промышленности, а также других областей, где требуются материалы, способные выдерживать высокие нагрузки при повышенных температурах. Это позволит двигателям стабильно работать при нагреве до 1000 °С, а в перспективе заменить существующие менее жаропрочные материалы, сократив энергопотери на принудительное охлаждение деталей», — рассказал RT кандидат технических наук старший научный сотрудник лаборатории объёмных наноструктурных материалов Белгородского государственного национального исследовательского университета Никита Юрченко.
Авторы: Надежда Алексеева, Екатерина Кийко
Заглавное фото: Gettyimages.ru / © HadelProductions
