Физики УрФУ выяснили, как улучшить материалы для авиакосмической промышленности

Сплавы, полученные в невесомости, более устойчивы к коррозии и однородны по составу, чем аналогичные образцы с Земли. Но земные сплавы плотнее, прочнее и лучше проводят тепло и электричество, выяснили российские и немецкие физики.

Они сравнили кристаллизацию сплавов в разных условиях и изучили свойства полученных материалов.

Исследователи разработали материалы с улучшенными свойствами для аэрокосмической, авиационной промышленности и смартфонов. Результаты работы опубликованы в научном журнале Physics Reports.

Мы изучили, как образуются дендриты под воздействием электромагнитного и гравитационного полей. Это позволило понять, как меняется микроструктура материала и его свойства, — объясняет Дмитрий Александров, руководитель лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ.

Изменяя мощность полей или уменьшая её практически до нуля, можно управлять дисперсностью дендритной микроструктуры при кристаллизации материалов в условиях микрогравитации на МКС. А это влияет на характеристики сплава в твёрдом состоянии.

Гравитация влияет на свойства материалов, выяснили учёные.

Образец, созданный на Земле, получился более плотным, но с усадочной «раковиной» в верхней части. Зато его нижняя часть была прочнее и обладала лучшей теплопроводностью и электропроводностью по сравнению с условиями без гравитации.

Аналогичный сплав, полученный в невесомости, был более однородным, с повышенной коррозионной стойкостью, но менее плотным.

Старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в многофазных средах УрФУ Любовь Торопова (на фото) поясняет:

Важный критерий для получения необходимых свойств — это температура, а именно скорость охлаждения и градиент температуры при направленном затвердевании.

Например, при переохлаждении в −150 °С (или 123 Кельвина) в сплаве появляется много кристаллов, а при температуре почти +2 °С (или 275 кельвинов) кристаллов немного, но они успевают вырасти. От этого зависят такие свойства конечного изделия, как микротвердость, хрупкость и другие характеристики.

Учёные исследовали сплав никеля и алюминия, который широко используется в технике:

• в смартфонах и планшетах (высокоэлектропроводящие элементы);
• деталях машин;
• двигателях для малой авиации.

Также физики изучили варианты затвердевания титано-алюминиевого сплава.

Сплав титан-алюминий интересен для промышленности, так как он устойчив к коррозии и выдерживает высокие температуры. Поэтому его широко используют в аэрокосмической и авиационной отраслях.

По словам Любови Тороповой, у этого сплава лучшие механические, эксплуатационные и коррозионные характеристики по сравнению с алюминиевыми сплавами и полимерными композиционными материалами.

06.08.2024