Сотрудники Южно-Уральского государственного университета в результате исследования, проведенного совместно с коллегами из Ирана, Китая, Великобритании и ОАЭ, получили новый экономичный высокоэнтропийный сплав (ВЭС), который отличается исключительной твердостью и износостойкостью.
К высокоэнтропийным относят сплавы, содержащие не менее пяти элементов, причем важно, содержание каждого из которых находится в пределах от 5 до 35 атомных процентов. Благодаря смешанному составу такие сплавы обладают повышенной прочностью и пластичностью.
Одна из проблем внедрения ВЭС в масштабное производство состоит в их высокой себестоимости, так они как правило включают большое количество дорогостоящих компонентов. Челябинские разработчики задались целью создать высокоэнтропийный сплав, который при тех же механических свойствах был относительно недорогим.
Свойства ВЭС зависят от состава, структуры и размера «зерна» (микрокристаллов) металла. Достигнуть наилучших характеристик в том числе помогает метод циклической штамповки в замкнутом объеме, который и применили ученые ЮУрГУ. Процесс представляет собой интенсивную пластическую деформацию металла при помощи пресса, приводящую к уменьшению его структурных элементов (кристаллитов) до наноразмеров, что приводит улучшению механических свойств материала. Применив этот метод, исследователи добились увеличения микротвердости сплава на 168 %, вместе с тем улучшились и трибологические характеристики металла.
«Ключевой проблемой в продвижении промышленного использования ВЭС является их непомерно высокая стоимость. В составе этих сплавов чаще всего используются такие дорогостоящие элементы, как Co, Ta, Hf, V, Nb, W и Mo. Отсутствие систематических исследований по разработке экономически эффективных наноструктурированных ВЭС, особенно, богатых железом, побудило нас взяться за новый проект. Несмотря на то, что большое количество ученых занимается исследованиями в области обработки методами интенсивной пластической деформации с целью получения наноструктурированных металлов и сплавов, насколько нам известно, мы являемся первой в мире группой, разрабатывающей недорогие наноструктурированные ВЭС посредством интенсивной пластической деформации», — пояснил один из авторов исследования, старший научный сотрудник лаборатории «Высокоэнтропийные материалы» ЮУрГУ Маджид Насери.
Чтобы добиться снижения себестоимости сплава, ученые заменили один из стандартных для ВЭС элементов гораздо более дешевым железом, снизив за счет этого затраты на производство на пятьдесят процентов.
«Наш новый экономически выгодный наноструктурированный высокоэнтропийный сплав был обработан с использованием циклической штамповки в замкнутом объеме. Увеличение количества проходов металла через пресс способствует образованию однородных нанозерен, фрагментации дендритов, богатых хромом, молибденом и железом, и их эффективному распределению в матрице сплава. Уже после шести таких циклических проходов он достигает самой высокой твердости и, соответственно, максимальной износостойкости», — отметил еще один из разработчиков, профессор кафедры материаловедения и физико-химии материалов ЮУрГУ Евгений Трофимов.
По мнению ученых, предложенный метод интенсивной деформации ВЭС можно внедрить в производство небольших изделий, например, металлорежущего инструмента и деталей авиационных двигателей.