Алюминий является одним из наиболее многообещающих материалов для авиационной и автомобильной отраслей. Специалисты из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» разработали простой и действенный метод повышения прочности композитных материалов, использующих алюминий.
Включение никеля и лантана в расплав алюминия позволило получить материал, объединяющий характеристики композиционных материалов и традиционных сплавов – он отличается гибкостью, прочностью и легкостью. Статья о данном открытии, которое может изменить авиационную и автомобильную промышленность, опубликована в журнале Materials Letters.
Для создания более легких и быстрых летательных аппаратов и автомобилей необходимы материалы с уменьшенной массой. В качестве одного из наиболее перспективных вариантов рассматриваются алюмоматричные композиты, то есть материалы, основу которых составляет алюминий.
Ученые из научной школы «Фазовые превращения и разработка сплавов на основе цветных металлов» НИТУ «МИСиС» разработали новый композит из алюминия, никеля и лантана, предназначенный для использования в авиационной и автомобильной промышленности. Для создания материала в расплавленный алюминий добавляли легирующие элементы, формирующие с ним химические соединения, которые в процессе кристаллизации сплава создают прочную армирующую структуру.
«Наша научная группа, возглавляемая профессором Николаем Беловым, на протяжении многих лет изучает создание композиционных материалов на основе алюминия. Разработка композита Al-Ni-La – это одна из наших работ, направленных на создание естественного алюмоматричного композиционного материала, в структуре которого содержится более 15% (по объему) армирующих частиц.
Новая разработка отличается высокой способностью формирующихся химических соединений к армированию, благодаря их ультрадисперсной структуре: диаметр армирующих элементов составляет не более нескольких десятков нанометров.
До недавнего времени ученые фокусировались на изучении систем, не позволяющих создать эффективный армирующий каркас, или получали композиционные материалы сложными способами, используя порошковую металлургию (спекание порошков) или жидкофазные технологии, включающие смешивание наночастиц в расплаве», — поясняет один из разработчиков, научный сотрудник кафедры обработки металлов давлением НИТУ «МИСиС», кандидат технических наук Торгом Акопян.
В настоящее время армирование алюминия чаще всего осуществляется с использованием нанопорошков, но этот метод отличается высокой стоимостью и сложностью, а получаемые результаты не всегда соответствуют вложенным средствам. Так, увеличение прочности на 5-20% может сопровождаться существенным снижением пластичности – на десятки процентов или даже более значительным. Дополнительно, размер частиц остается относительно большим, варьируясь от 100 нанометров до 2 микрометров, а их концентрация в конечном материале недостаточна.
Новое решение, созданное учеными НИТУ «МИСиС», направлено на устранение проблем, связанных с неравномерным распределением армирующих элементов и недостаточной прочностью композитного материала, получаемого методом порошковой металлургии: при плавлении размер армирующих частиц после кристаллизации материала на основе системы Al-Ni-La не превышает 30–70 нанометров в поперечном сечении.
Равномерное распределение частиц, обусловленное естественной кристаллизацией, формирует армирующий каркас, что делает композит прочнее и гибче по сравнению с материалами, полученными методом порошковой металлургии.
«По словам Торгома Акопяна, наш композит превосходит многие аналоги, включая зарубежные. Тем не менее, мы не планируем останавливаться на текущем уровне и намерены продолжить разработку более совершенных, сложных (3-, 4- и более фазных) и экономичных композитов. Производство этих материалов будет включать применение алюминия технической чистоты и более доступных легирующих элементов.
Ученые утверждают, что новый материал может найти применение в авиационной и машиностроительной отраслях, а также при создании современной робототехники, включая беспилотные летательные аппараты, где уменьшение веса устройства является ключевым фактором.
Особая структура материала позволяет использовать его для создания сложных деталей при 3D-печати. Также, эти разработки могут представлять значимость для экономики.
В настоящее время экспорт первичного алюминия приносит основную прибыль алюминиевой отрасли России. Разработка новых высокотехнологичных решений с высокой добавленной стоимостью позволит увеличить прибыль за счет увеличения спроса на алюминий как на внутреннем, так и на внешнем рынках.