181
Проривний сплав Cu-Ta-Li має потенціал для революції в аерокосмічній, оборонній та промисловій сферах. Дослідники з Науково-дослідницької лабораторії армії США (ARL) і Університету Лехай розробили передовий наноструктурований мідний сплав, який встановлює новий стандарт високотемпературної продуктивності в аерокосмічній, оборонній та промисловій сферах.
Опубліковане в Science , їхнє дослідження представляє Cu-Ta-Li (мідь-тантал-літій) сплав, який демонструє виняткову термічну стабільність і механічну міцність, що робить його одним із найстійкіших матеріалів на основі міді, коли-небудь створених.
«Це передова наука, яка розробляє новий матеріал, який унікальним чином поєднує чудову провідність міді з міцністю та довговічністю в масштабі суперсплавів на основі нікелю», — сказав Мартін Хармер, почесний професор матеріалознавства та інженерії Фонду Алкоа в Університеті Лехай і співавтор дослідження. «Це забезпечує промисловість і військових основою для створення нових матеріалів для гіперзвукових і високоефективних турбінних двигунів».
Дослідники ARL і Lehigh співпрацювали з вченими з Університетів штату Арізона та Університету штату Луїзіана, щоб розробити сплав, який може витримувати екстремальне нагрівання без істотної деградації.
Поєднання міді з наноструктурою, стабілізованою кольором
Прорив стався завдяки утворенню осадів Cu₃Li, стабілізованих двошаровим двошаровим атомним кольором таріалу, концепцією, яку запровадили дослідники Lehigh. На відміну від типових меж зерен, які з часом мігрують при високих температурах, цей колір діє як структурний стабілізатор, зберігаючи нанокристалічну структуру, запобігаючи росту зерен і значно покращуючи продуктивність при високій температурі.
Патрік Кантвелл, науковий співробітник Університету Ліхай і співавтор дослідження, зазначив, що сплав зберігає свою форму за екстремального тривалого термічного впливу та механічних навантажень, витримуючи деформацію навіть поблизу точки плавлення.
Завдяки поєднанню високотемпературної стійкості суперсплавів на основі нікелю з міддю, яка відома своєю винятковою провідністю, цей матеріал прокладає шлях для застосувань наступного покоління, включаючи теплообмінники, вдосконалені силові установки та рішення для управління температурою для передових ракетних і гіперзвукових технологій.
Новий клас високоефективних матеріалів
Цей новий сплав Cu-Ta-Li пропонує баланс властивостей, яких немає в існуючих матеріалів:
- Суперсплави на основі нікелю (використовуються в реактивних двигунах) надзвичайно міцні, але не мають високої теплопровідності мідних сплавів.
- Сплави на основі вольфраму відрізняються високою жаростійкістю, але щільними і складними у виготовленні.
- Цей сплав Cu-Ta-Li поєднує виняткову тепло- та електропровідність міді, залишаючись міцним і стабільним за екстремальних температур.
- Незважаючи на те, що він не є прямою заміною традиційних суперсплавів у застосуваннях із надвисокими температурами, він може доповнити їх у інженерних рішеннях наступного покоління.
Як дослідники створили та перевірили це
Команда синтезувала сплав за допомогою порошкової металургії та високоенергетичного кріогенного помелу, забезпечуючи дрібномасштабну наноструктуру. Потім вони піддали його:
- 10 000 годин (більше року) відпалу при 800°C, перевіряючи його довготривалу стабільність.
- Удосконалені методи мікроскопії, які виявляють структуру осаду Cu₃Li.
- Експерименти зі стійкістю до повзучості підтверджують його довговічність в екстремальних умовах.
- Обчислювальне моделювання з використанням теорії функціоналу щільності (DFT), яке підтвердило стабілізуючу роль двошарового кольору обличчя Ta.
Патент, фінансування та майбутня робота
Науково-дослідна лабораторія армії США отримала патент США (US 11 975 385 B2) на цей сплав, що підкреслює його стратегічне значення, зокрема в оборонних застосуваннях, таких як військові теплообмінники, силові установки та гіперзвукові транспортні засоби.
Це дослідження було підтримано Дослідницькою лабораторією армії США, Національним науковим фондом та Ініціативою президентського нанолюдського інтерфейсу університету Ліхай (NHI), яка сприяє інноваціям у нанотехнологіях. Багаторічне партнерство Lehigh з ARL, яке триває більше десяти років, відіграло важливу роль у розширенні меж матеріалознавства.
Вчені кажуть, що подальші дослідження включатимуть прямі вимірювання теплопровідності сплаву в порівнянні з альтернативами на основі нікелю, роботу з підготовки його до потенційного застосування та розробку інших високотемпературних сплавів за подібною стратегією дизайну.
«Цей проект є чудовим прикладом того, як федеральні інвестиції у фундаментальну науку сприяють лідерству Америки в технології матеріалів», — сказав Хармер. «Такі наукові відкриття є ключовими для зміцнення національної безпеки та стимулювання промислових інновацій».
