В мире авиастроения и космических технологий надежность материалов – это вопрос безопасности и эффективности. Ученые Белгородского государственного национального исследовательского университета (НИУ «БелГУ») совершили значительный прорыв в этой области, разработав уникальный жаропрочный сплав для авиации, способный сохранять выдающиеся механические свойства при экстремальных температурах до 800 °C. Эта инновация обещает повысить надежность и долговечность критически важных узлов летательных аппаратов.
Проблема современных авиационных материалов, особенно для двигателей и элементов, работающих в условиях сильнейшего нагрева, давно известна специалистам. Традиционные тугоплавкие сплавы, например, на основе молибдена, вольфрама или тантала, хоть и обладают высокой прочностью, имеют существенные недостатки. Главные из них – крайне низкая пластичность (часто не более 2%) и очень высокая плотность, что увеличивает общий вес конструкции и ограничивает их применение. Существующие же титановые сплавы, такие как широко используемый ВТ6, теряют необходимую прочность при температурах выше 600-700 °C.
Решение этой сложной инженерной задачи белгородские исследователи нашли в классе высокоэнтропийных сплавов (ВЭС). В отличие от традиционных сплавов, где один-два элемента составляют основу, а остальные добавляются в небольших количествах, ВЭС состоят из пяти или более основных элементов, взятых в приблизительно равных атомных долях. Такая многокомпонентность принципиально меняет структуру материала и часто приводит к неожиданно высоким сочетаниям прочности и пластичности, особенно при высоких температурах.
«Особый интерес для аэрокосмической отрасли представляют именно сложные сплавы на основе тугоплавких элементов. Они демонстрируют потенциал для сохранения выдающихся прочностных характеристик в экстремально широком диапазоне температур – от криогенных до температур, близких к точке плавления», – поясняет Максим Озеров, научный сотрудник лаборатории объемных наноструктурных материалов НИИ материаловедения и инновационных технологий НИУ «БелГУ».
Именно такой материал и удалось создать команде БелГУ. Уникальный высокоэнтропийный сплав разработан на основе шести ключевых элементов: алюминия (Al), титана (Ti), ванадия (V), хрома (Cr), циркония (Zr) и ниобия (Nb). Для достижения максимальной однородности структуры и исключения дефектов, полученный состав подвергался сложному процессу многократного вакуумного переплава.
Результаты всесторонних испытаний сплава превзошли ожидания и подтвердили его исключительные свойства:
- Выдающаяся прочность при комнатной температуре: Предел прочности составляет 1456 мегапаскалей (МПа).
- Высокая пластичность: При 20°C материал демонстрирует пластичность 14,7%, что существенно выше показателей многих традиционных тугоплавких сплавов.
- Стабильность при экстремальном нагреве: При температуре 800 °С, критической для работы многих авиационных узлов, сплав сохраняет:
- Прочность 1192 МПа.
- Феноменальную пластичность более 50% (способность к деформации без разрушения).
- Сравнительное преимущество: Для контекста: широко применяемый в авиации титановый сплав ВТ6 при 800 °С показывает прочность лишь в диапазоне 600-800 МПа, что значительно ниже нового материала от БелГУ.
«Наша разработка существенно превосходит известные аналоги, – подчеркивает Максим Озеров. – Созданный нами материал значительно легче традиционных тугоплавких сплавов (на основе Mo, W, Ta), при этом он не только не уступает им в прочности при высоких температурах, но и обладает беспрецедентно высокой пластичностью. Это сочетание открывает совершенно новые возможности для конструирования».
Патент на изобретение RU 2 835 239 C1 официально закрепляет приоритет Белгородского университета в создании этого перспективного материала. Разработка открывает путь к созданию конкурентоспособных деталей нового поколения для самых нагруженных узлов:
- Лопаток и дисков газотурбинных двигателей гражданской и военной авиации.
- Элементов реактивных двигателей и теплозащитных систем космических аппаратов.
- Других высокотемпературных систем, где критичны сочетание малого веса, прочности и устойчивости к длительному нагреву.
Внедрение этого инновационного сплава в авиастроение и космическую отрасль может стать важным шагом к повышению топливной эффективности двигателей за счет снижения веса, увеличения их ресурса и, как следствие, повышения общей надежности и безопасности воздушных судов. Работа белгородских ученых – яркий пример того, как фундаментальные исследования в области материаловедения приводят к прорывным решениям в высокотехнологичных отраслях промышленности. Дальнейшие исследования будут направлены на оптимизацию технологии производства и поиск промышленных партнеров для внедрения.
