Наноструктурированный медный сплав по прочности и стабильности не уступает суперсплавам!⁠⁠

Исследователи из Исследовательской лаборатории армии США (ARL) и Университета Лихай разработали наноструктурированный медный сплав, который может изменить представление о высокотемпературных материалах для аэрокосмической, оборонной и промышленной сфер.

Их результаты, опубликованные в журнале Science, представляют сплав Cu-Ta-Li (медь-танал-литий) с исключительной термостойкостью и механической прочностью, что делает его одним из самых устойчивых медных материалов, когда-либо созданных.

"Это передовая наука, разрабатывающая новый материал, который уникально сочетает отличную проводимость меди с прочностью и долговечностью на уровне никелевых суперсплавов," сказал Мартин Хармер, профессор материаловедения и инженерии имени Alcoa Foundation в Университете Лихай и соавтор исследования. "Это предоставляет промышленности и военным основу для создания новых материалов для гиперзвуковых технологий и высокопроизводительных турбинных двигателей."

Исследователи ARL и Университета Лихай сотрудничали с учеными из Университета штата Аризона и Университета штата Луизиана для разработки сплава, который может выдерживать экстремальное тепло без значительного разрушения.

Сочетание меди с комплексно-стабилизированной наноструктурой
Прорыв заключается в образовании осадков Cu3Li, стабилизированных атомным двухслойным комплексом, богатым таналом, концепция которого была предложена исследователями из Университета Лихай. В отличие от типичных границ зерен, которые мигрируют со временем при высоких температурах, этот комплекс действует как структурный стабилизатор, поддерживая нанокристаллическую структуру, предотвращая рост зерен и значительно улучшая производительность при высоких температурах.

Сплав сохраняет свою форму при экстремальном длительном тепловом воздействии и механическом напряжении, сопротивляясь деформации даже близко к своей температуре плавления, отметил Патрик Кантвелл, научный сотрудник Университета Лихай и соавтор исследования.

Объединяя устойчивость к высоким температурам никелевых суперсплавов с медью — известной своей исключительной проводимостью, материал открывает путь к приложениям следующего поколения, включая теплообменники, современные системы пропульсии и решения для теплового управления для передовых ракетных и гиперзвуковых технологий.

Новый класс высокопроизводительных материалов
Этот новый сплав Cu-Ta-Li предлагает баланс свойств, не встречающихся в существующих материалах:

• Никелевые суперсплавы (используемые в реактивных двигателях) чрезвычайно прочны, но им не хватает высокой теплопроводности медных сплавов.

• Вольфрамовые сплавы обладают высокой термостойкостью, но плотны и трудны в производстве.

• Этот сплав Cu-Ta-Li сочетает исключительную тепловую и электрическую проводимость меди, оставаясь при этом прочным и стабильным при экстремальных температурах.

• Хотя он не является прямой заменой традиционным суперсплавам в ультравысоких температурных приложениях, он может дополнить их в инженерных решениях следующего поколения.

Как исследователи создали и протестировали его
Команда синтезировала сплав с помощью порошковой металлургии и высокоэнергетического криогенного фрезерования, обеспечивая наноструктуру мелкого масштаба. Затем они подвергли его:

• 10,000 часов (более года) отжига при 800°C, тестируя его долгосрочную стабильность.

• Передовым микроскопическим техникам, выявляющим структуру осадков Cu3Li.

• Экспериментам по сопротивлению ползучести, подтверждающим его долговечность в экстремальных условиях.

• Вычислительному моделированию с использованием теории функционала плотности (DFT), которая подтвердила стабилизирующую роль танального двухслойного комплекса.

Исследовательская лаборатория армии США получила патент (US 11,975,385 B2) на этот сплав, подчеркивающий его стратегическое значение, особенно в оборонных приложениях, таких как военные теплообменники, системы пропульсии и гиперзвуковые транспортные средства.

Ученые сообщают, что дальнейшие исследования будут включать прямые измерения теплопроводности сплава по сравнению с никелевыми альтернативами, работу по подготовке его к потенциальным применениям и разработку других высокотемпературных сплавов по аналогичной стратегической концепции.

"Этот проект является отличным примером того, как федеральные инвестиции в фундаментальные науки способствуют лидерству Америки в области технологий материалов," отметил Хармер. "Научные открытия, такие как это, являются ключевыми для укрепления национальной безопасности и стимулирования промышленной инновации."