Новый метод, разработанный учеными из Национальной лаборатории Ок-Риджа (ORNL) при Министерстве энергетики США, позволяет проектировать композитные детали с градуированным составом. Компоненты материала переходят от высокопрочных к тугоплавким сплавам, которые могут выдерживать чрезвычайно высокие температуры, при этом дополнительная сварка не требуется, сообщает портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Во многих областях применения требуются материалы с высокотемпературными и высокопрочными свойствами, но эти разнотипные сплавы технологически крайне сложно соединять друг с другом в одной конструкции. «Но теперь мы можем создавать композиты, которые плавно переходят из одного сплава в другой. Это открывает возможность настроить состав материала, который градуирован по свойствам от одного конца до другого, и иметь высокую прочность и способность выдерживать высокие температуры с каждой стороны детали», – отметил Сумья Наг, материаловед из ORNL и руководитель нового исследования.
«Это немного похоже на приготовление слоистой пиццы. Вы меняете ингредиенты по мере продвижения от одного слоя к другому, и это именно то, что мы делаем при создании композитного сплава», – пояснил Наг. «Начинка» в данном случае представляет собой порошок из третьего переходного сплава, обладающий легкими или высокотемпературными характеристиками.
Наг и члены его научной группы использовали метод аддитивного производства, называемый «направленным осаждением энергии», для осаждения различных порошковых композиций в инертной среде аргона, изменяя скорость осаждения компонентов по мере их продвижения.
По словам Нага, в большинстве случаев для изготовления конструкционных компонентов, предназначенных для агрессивных, высокотемпературных или радиационных сред, часто используется какой-то один состав сплава, но этот процесс в целом является дорогостоящим и снижает производительность. Для компонентов, требующих самых разных свойств, часто изготавливаются сварные детали из разнородных материалов, что приводит к резким границам раздела, что также неблагоприятно влияет на производительность.
В последних исследованиях ученые ORNL использовали порошки Inconel 718 (сплава на основе никеля) и C103 (сплава на основе ниобия). Из этих сплавов один – высокопрочный, а другой – устойчивый к высоким температурам. По отдельности они неподатливы к соединению между собой и имеют тенденцию образовывать трещины, когда это делается. Теперь, используя способ направленного энергетического осаждения с выдувным порошком и изменяя скорость потока порошков, ученые могут изменить состав соединяемых металлов так, чтобы он обладал полезными свойствами обоих.
Ученые разработали фактический путь нелинейного градиента, объединив современную вычислительную термодинамику с экспериментальными данными, собранными с помощью многомасштабных высокопроизводительных инструментов характеристики. Таким образом, они успешно обошли проблемы сварки и соединили обычно несвариваемые суперсплавы с тугоплавкими сплавами.
«Немногие из прежних методов аддитивного производства имеют возможность смешивания порошков на ходу во время сборки. Но это уникальное свойство позволяет выдувать порошки с разной скоростью. Теперь, как показало исследование, можно без проблем выполнять температурный переход от относительно низкотемпературного никелевого сплава к чрезвычайно высокотемпературному ниобиевому сплаву», – пояснил Наг.
По словам специалистов ORNL, среди потенциальных сфер применений этой технологии – ракетные двигатели для космоса, аэрокосмическое производство, производство термоядерных реакторов и ядерных реакторов, морское использование, системы возобновляемой энергии. То есть практически везде, где изделиям предстоит работать в экстремальных условиях.