Российские ученые создали уникальный материал будущего: новый металл прочнее любой стали, но дешевле даже алюминия

Мир металлургии замер в ожидании прорыва. Инженеры десятилетиями бились над задачей, как совместить в одном металле несовместимое. Конечный продукт должен был сочетать в себе легкость алюминия, прочность закаленной стали, жаростойкость титана и при этом — доступную цену. До последнего времена такие требования казались недостижимыми.


Но команда ученых из Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) и Института металлургии Уральского отделения РАН (ИМЕТ УрО РАН) не просто нашла гениальное решение. Российские исследователи предложили сразу два революционных подхода, которые кардинальным образом меняют правила игры на поле создания материалов для экстремальных условий.

Два прорыва на одном фронте

Как оказалось, что под общим знаменателем «российская разработка» скрываются две параллельные, но равно важные научные работы. И обе они точно нацелены на один и тот же класс материалов — высокоэнтропийные сплавы (ВЭС). Если говорить просто, то их основной принцип — отказ от главного металла. Вместо этого смешиваются пять и более элементов. Таким образом, создается уникальная кристаллическая решетка, которая и наделяет материал невероятной прочностью, пластичностью и устойчивостью.

Первое направление для использования — это создание сплава для авиации и космоса. Его основу составляют алюминий, титан, цирконий, ванадий и ниобий, а главная инновация скрывается в методе получения.

Ученые не использовали чистые, а потому дорогие металлы, а задействовали их дешевые оксиды. В процессе алюминотермического синтеза алюминий «забирает» кислород у оксидов, высвобождая чистые металлы, которые тут же образуют однородный расплав. Этот метод не требует дорогих вакуумных печей и использует энергию самой химической реакции, что резко снижает затраты.



Результат превзошел ожидания: твердость сплава достигает 670 единиц по шкале Виккерса. А это, между прочим, уровень качественной закаленной стали. Но главное отличие нового российского материала заключается в том, что он сохраняет эту прочность при гораздо более высоких температурах и агрессивных химических средах. В таких условиях сталь бы давно уже потекла или вовсе разрушилась.

Экономия и наноструктуры

Параллельно, как сообщает сайт ЮУрГУ, другая группа ученых университета в кооперации с коллегами из Ирана, Китая, Великобритании и ОАЭ решала проблему стоимости ВЭС с другой стороны. Они пошли еще дальше в стремлении снизить цену.


— пояснил старший научный сотрудник лаборатории «Высокоэнтропийные материалы» ЮУрГУ Маджид Насери.

Поэтому команда ученых приняла решение заменить один из стандартных дорогих элементов на гораздо более дешевое железо. Одна только эта замена позволила снизить затраты на производство сразу на 50%.



Такое изменение потенциально могло вызвать потерю свойств у металла, поэтому в качестве компенсации наши ученые применили инновационный метод обработки — циклическую штамповку в замкнутом объеме. Для этого структуру материала дробили на прессе до наноразмеров.


— отметил профессор кафедры материаловедения и физико-химии материалов ЮУрГУ Евгений Трофимов.

В итоге микротвердость сплава увеличилась на ошеломляющие 168%!

Будущее, построенное на новом металле

Практическая значимость этих разработок переоценить невозможно. По словам профессора Трофимова, такие сплавы открывают путь к промышленному производству жаропрочных, легких и надежных материалов нового поколения. Они предназначены для деталей, работающих на износ под колоссальными нагрузками: лопаток турбин, сопел ракетных двигателей, компонентов для химического оборудования.



Использование этих материалов позволит не только повысить надежность и ресурс техники, но и кардинально снизить ее вес. В авиации и космонавтике каждый убранный килограмм — это огромная экономия топлива и увеличение полезной нагрузки. Следовательно, повышается конкурентоспособность России в вышеупомянутых сферах.

На сегодняшний день аналогов, сочетающих в себе столь выдающиеся свойства и столь низкую себестоимость производства, в мире не существует. Российские технологии — как алюминотермического синтеза, так и создания наноструктурированных сплавов — являются уникальными. Это реальный шанс для России не только достичь технологического суверенитета в критически важных отраслях, таких как авиа- и ракетостроение, но и выйти на мировые рынки в качестве лидера в материаловедении.

Сейчас команды исследователей продолжают работу. Они изучают влияние добавок других элементов, оптимизируют технологические процессы для промышленного масштабирования и готовятся к испытаниям в реальных условиях.

Оба направления — и создание жаропрочного сплава для космоса, и разработка ультратвердого наноструктурированного материала — это не финал, а мощный задел на будущее. Цель обоих заключается в том, чтобы сделать российские технологии прочнее, легче и экономичнее. Следующий шаг — за промышленностью, и он определит, как скоро новые материалы начнут покорять не только космос, но и мировые рынки.