Ученые НИТУ МИСИС обнаружили слабое звено перспективных высокоэнтропийных сплавов

Материаловеды Национального исследовательского технологического университета «МИСИС» в режиме реального времени зафиксировали, как зарождаются и распространяются трещины в высокоэнтропийном сплаве CoCrCuFeNi. Уязвимым местом оказались крупные включения меди. Подавить негативное влияние медной фазы можно особыми методами обработки — быстрым нагревом и охлаждением, искровым плазменным спеканием, аддитивными технологиями. 

Открытие объясняет давнее противоречие: почему добавление меди, которая сама по себе является одним из самых пластичных металлов, на практике не только не повышает пластичность сплава, но зачастую снижает ее, в некоторых случаях наряду с прочностью, сообщает пресс-служба вуза. 

Высокоэнтропийные сплавы — новый класс материалов, построенных по иному принципу, чем традиционные сплавы. Если в классической металлургии есть основа, к которой добавляют небольшие количества легирующих элементов, то в высокоэнтропийных сплавах нет главного компонента: они состоят как минимум из пяти химических элементов, взятых в приблизительно равных концентрациях. Именно такое строение обеспечивает высокую прочность, жаростойкость, коррозионную стойкость и устойчивость к радиации, высокоэнтропийные сплавы перспективны для авиакосмической техники, атомной энергетики, химического машиностроения и особенно для микроэлектромеханических систем и датчиков.

Среди множества изученных высокоэнтропийных сплавов особое место занимает сплав CoCrCuFeNi, который привлекает исследователей и инженеров экономической доступностью компонентов, технологичностью и хорошей совместимостью элементов. Казалось бы, именно этот сплав должен был стать одним из первых кандидатов для промышленного внедрения, однако на практике его механические свойства оказались скромнее, чем у аналогов. Разрыв между ожиданиями и реальностью долгие годы сдерживал активное применение сплавов CoCrCuFeNi в ответственных изделиях, особенно в миниатюрных устройствах, где надежность материала критична. Причины этого парадокса до недавнего времени оставались предметом дискуссий в научном сообществе. Для решения вопроса требовался метод, позволяющий наблюдать процесс разрушения с субатомным разрешением.

Ученые НИТУ МИСИС совместно с коллегами из Института нанотехнологий микроэлектроники РАН и Каталонского института нанонауки и нанотехнологий применили метод, который до недавнего времени был доступен лишь нескольким лабораториям мира. Они провели испытания на растяжение микрообразцов сплава внутри просвечивающего электронного микроскопа и наблюдали за изменениями в структуре в режиме реального времени с нанометровым разрешением. Приборный комплекс позволил увидеть, где зарождается трещина и как движутся дефекты под нагрузкой. Наблюдения дали однозначный ответ: с самого начала деформации вся активность сосредоточена исключительно внутри медных зерен. Именно там возникает локализация напряжений, а затем и трещина, которая приводит к разрушению. 

«Полученные результаты объясняют, почему увеличение содержания меди часто приводит к ухудшению механических свойств сплава. Чем больше в структуре крупных медных включений, тем выше вероятность локального разрушения под нагрузкой. Особенно важны эти данные для микро- и наноразмерных устройств. В миниатюрных элементах электроники, датчиках и микромеханических системах размеры отдельных структурных составляющих материала могут быть сопоставимы с размерами самого изделия. В таких условиях даже одна сравнительно уязвимая область способна стать причиной разрушения всей конструкции», — рассказал заведующий кафедрой порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ МИСИС Евгений Левашов.

Установленный механизм дает четкие ориентиры для инженеров. Для того чтобы подавить негативное влияние медной фазы, можно снизить концентрацию меди в сплаве до пределов ее растворимости либо использовать особые методы обработки сплава — быстрый нагрев и охлаждение, искровое плазменное спекание, аддитивные технологии. Эти подходы позволяют получать сплавы без крупных медных сегрегаций. Кроме того, повышение содержания никеля увеличивает растворимость меди, что также снижает риск образования опасных включений. Таким образом, работа предоставляет разработчикам не просто объяснение проблемы, но и готовые рецепты для ее решения.

Медные включения могут сыграть и положительную роль в других материалах. В недавней работе этих же авторов, посвященной композитам с алмазом, показано, что наличие медных прослоек повышает вязкость разрушения. Мягкая медь работает как своеобразный демпфер — гасит напряжения и «принимает удары» на себя, позволяя композитам выдерживать более высокие нагрузки. 

«Результаты нашего исследования не только раскрывают механизм разрушения одного из наиболее распространенных высокоэнтропийных сплавов, но и создают основу для разработки новых материалов с улучшенным сочетанием прочности и пластичности. Такие материалы могут найти применение в алмазосодержащих композитах и инструментах, защитных покрытиях, энергетике и других высокотехнологичных отраслях», — прокомментировал доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ МИСИС Павел Логинов.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, результаты опубликованы в издании Journal of Materials Science.

Источник: НИТУ МИСИС

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru