Учёные НИУ «БелГУ» исследовали особенности деформации и разрушения сплавов для авиастроения

Жаропрочные сплавы на основе алюминия широко используются в конструкциях современных самолётов. Поэтому, как рассказал руководитель проекта – старший научный сотрудник лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов НИУ «БелГУ» Марат Газизов, такие сплавы должны одновременно выдерживать большие нагрузки и высокую температуру в течение длительного времени. Чтобы добиться этого, разрабатываются уникальные жаропрочные алюминиевые сплавы, содержащие медь, магний и серебро, а также режимы их термической обработки, включающей закалку (за счёт нагрева и быстрого охлаждения), и последующее старение, выдерживая при умеренно высоких температурах (до 200°С).

После старения, по словам учёного, структура материала становится неоднородной. В ней появляются тонкие пластины – частицы в виде интерметаллидных соединений двух и более металлов – алюминия, меди, магния и серебра, которые становятся каркасом, повышающим прочность материала. Такие пластины делают его более устойчивым к нагрузкам при повышенных температурах.

Во время исследования учёные из НИУ «БелГУ», Челябинского госуниверситета вместе с коллегами из Норвежского университета естественных и технических наук (Норвегия) установили, что происходит с упрочняющими пластинами в сплаве при нагрузках и высокой температуре. Авторы отлили образцы из алюминия, меди, магния и серебра и подвергли их термической обработке для повышения прочности. После материал нагружали до разрушения при температурах реальной эксплуатации сплавов (150°С и 165°С) в течение различного времени (до 3000 часов – около четырёх месяцев).

В сплавах, испытавших нагрузку и нагрев до 150°С, интерметаллиды стали толще за счёт «оседания» на них окружающих элементов сплава (меди, магния и серебра) и сливания некоторых частиц, увеличился их диаметр и объёмная доля.

– В данной работе мы исследовали поведение интерметаллидных частиц при высокотемпературном нагружении. Казалось бы, чем крупнее частицы, придающие прочность сплаву, и чем больше их объёмная доля, тем выше должна быть прочность материала. Однако на практике всё иначе. Поскольку мелкие пластины исчезают, сливаясь с более крупными, общее количество или частота расположения таких опорных конструкций значительно уменьшается. Как следствие, для движения дислокаций, как основном механизме пластической деформации металлических материалов, остается меньше барьеров, и алюминиевый сплав разрушается быстрее и при меньших нагрузках, – рассказывает Марат Газизов.

Полученные результаты помогают учёным лучше понять факторы, ответственные за прочностные свойства сплава на основе алюминия, меди, магния и серебра. Это позволяет подобрать оптимальный химический состав, а также условия получения материала для применения в авиастроении. В дальнейшем исследователи планируют продолжить работу в данном направлении и добиться улучшения прочности и пластичности алюминиевых сплавов других составов.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Materials Science and Engineering: A.