«Современный процесс создания нового материала – это комплексная, многоступенчатая работа, которая все чаще использует методы цифрового моделирования»
Как исследователи создают новый материал?
Современный процесс создания нового материала – это комплексная, многоступенчатая работа, которая все чаще использует методы цифрового моделирования. Например, в нашей деятельности мы используем методы вычислительного материаловедения, такие как CALPHAD (Calculation of Phase Diagrams), для предсказания структурно-фазового состава и ключевых свойств сплава на основе его химического состава еще до его синтеза в лаборатории. Это позволяет целенаправленно разрабатывать материалы с заданными параметрами, например, жаропрочные титановые сплавы на интерметаллидной основе (типа TiAl, Ti2AlNb), где необходимо контролировать образование хрупких фаз.
После компьютерной оптимизации состава сплав выплавляют в вакуумных печах (например, дуговой или электронно-лучевой плавкой) для предотвращения окисления. Затем материал подвергают сложной термомеханической обработке (прокатка, ковка, термический отжиг) для формирования нужной микроструктуры, отвечающей за высокие эксплуатационные характеристики.
Как происходит испытание материала?
Испытания материала делятся на лабораторные и натурные. В лаборатории проводятся механические испытания на растяжение, сжатие, ползучесть и длительную прочность при высоких температурах (для жаропрочных сплавов), что позволяет определить ключевые механические свойства. Для так называемых «умных» материалов (smart materials) с особыми свойствами, например, с инвар-эффектом, с высочайшей точностью измеряют коэффициент теплового расширения (ТКЛР) в широком диапазоне температур.
Натурные испытания имитируют реальные условия эксплуатации. Детали из новых сплавов (например, лопатки газотурбинных двигателей) испытывают в специальных стендах, подвергая их термическим и механическим нагрузкам, идентичным рабочим. Это финальный этап проверки, подтверждающий результаты цифрового и лабораторного моделирования.
Какие материалы можно назвать сейчас самыми перспективными? Какие у них сферы применения?
Список перспективных материалов огромен, но я выделю ключевые группы, имеющие стратегическое значение для таких проектов, как национальный проект «Новые материалы и химия». Прежде всего это материалы для 3D-печати: специальные металлические порошки (жаропрочные никелевые сплавы, титановые сплавы, стали), керамические и полимерные композиты, предназначенные для послойного синтеза. Они позволяют в короткий срок создавать сложнейшие детали с минимальными отходами, интегрированные системы охлаждения, легкие конструкции, например, для аэрокосмической отрасли (облегченные кронштейны, турбинные лопатки), медицины (индивидуальные имплантаты с пористой структурой) и других областей науки и техники.
Высокоэнтропийные сплавы (сокращено ВЭС или High-Entropy Alloys). Это сплавы, состоящие из нескольких (обычно 5 и более) основных элементов в приблизительно равных атомных долях. Такие материалы обладают уникальными комбинациями свойств: сверхвысокая прочность и твердость при низких температурах, исключительная износо- и коррозионная стойкость, магнитные свойства. Применяются в качестве покрытий для повышения износостойкости инструмента, материалов для работы в экстремальных условиях (ядерная энергетика, космос), в качестве замены дорогим сплавам на основе кобальта и никеля.
«Умные» материалы и материалы для энергетики. Они меняют свои свойства под внешним воздействием. Примером могут служить материалы с памятью формы или регулируемым ТКЛР, термоэлектрики, материалы для водородной энергетики и др. Они применяются в качестве мембран для топливных элементов, материалов для хранения водорода, а также в робототехнике, медицине (стенты, микроманипуляторы) и т.д. Сплавы с регулируемым ТКЛР и инвар-эффектом незаменимы в высокоточном оборудовании: в космических телескопах, спутниковой аппаратуре, лазерных системах и прецизионных измерительных приборах, где размеры конструкции не должны меняться при колебаниях температуры.
Жаропрочные титановые сплавы на интерметаллидной основе, такие как TiAl, Ti2AlNb. Основное их применение — это изготовление лопаток турбин низкого давления и турбокомпрессоров в авиадвигателях. Они значительно снижают их массу оборудования и повышают рабочую температуру в камере сгорания, что позволяет увеличить КПД и мощность.
Углеродные и гибридные наноматериалы, такие как графен, углеродные нанотрубки, нановолокна, а также их композиты с полимерами, металлами и керамикой. Они обладают рекордной удельной прочностью, электропроводностью, теплопроводностью. Легкие и прочные композиты для авиации и автомобилестроения, гибкая электроника, аккумуляторы и суперконденсаторы с повышенной емкостью, новые системы фильтрации.
Фото: Пресс-служба УрФУ