Инженеры сетуют, что пластмассы чрезвычайно технологичны, но, увы, не слишком прочны. Металлы, наоборот, прочны, но куда сильнее ограничены в широте методов изготовления изделий. Соединить преимущества этих «двух миров» удалось исследователям из Йеля.

Ян Шрирс (Jan Schroers, на фото под заголовком) и его коллеги в серии экспериментов доказали, что возможно создание конструкционного материала и технологии производства изделий из него, которые одновременно обеспечили бы очень высокие скорость, точность и лёгкость обработки, как у пластмасс, с прочностью и износостойкостью, как у лучших сортов стали.

Ещё в 2009 году Ян и со товарищи разработали технологию литья из металлического стекла деталей микро- и нанометрового масштаба. Теперь учёные продолжили эту линию опытов и обратили пристальное внимание на так называемые объёмные металлические стекла (bulk metallic glasses — BMG) и на макроскопические изделия из них.

В своей новой работе Шрирс продемонстрировал, что целый ряд сплавов BMG, разработанных в последнее время, прекрасно подходит для создания предметов методом выдувной формовки (blow molding). Команда исследователей создала несколько сложных форм для изготовления деталей, в том числе бесшовных металлических бутылок, миниатюрных резонаторов для микроэлектромеханических устройств и биомедицинских имплантатов.

Все эти предметы учёные получали менее, чем за минуту. При этом исключалась необходимость в последующей обработке изделия, расход материала был невелик, а точность соблюдения формы — великолепная. С обычной сталью такого эффекта добиться нельзя, не поплатившись прочностью (возникновением внутренних дефектов после обработки) и долговечностью.

Рис. 1. Попробовав получать одним и тем же методом бутылочки из разных материалов, авторы эксперимента убедились, что обычные сплавы не успевают заполнить форму даже при значительном росте времени процесса. BMG же позволяют добиться желаемой формы очень быстро, сохраняя ровные стенки (иллюстрации Jan Schroers et al./Materials Today).

Авторы опыта сравнили различные характеристики стали, алюминиевых сплавов, пластмасс и металлических стёкол типа BMG, содержащих титан, медь, цирконий, алюминий и ряд других элементов.

Оказалось, что хотя по стоимости BMG сравнимы со сталью высокого класса, они выигрывают в прочности и притом значительно дешевле в обработке.

«Выдувная формовка заменяет сразу три традиционных процесса изготовления пустотелых металлических деталей — формовку (литьё) половинок изделия, соединение частей, финишную обработку», — поясняет пресс-релиз Йеля.

Важно, что температура формовки (без дефектов и с хорошим заполнением формы) у новых BMG оказалась примерно сопоставима с аналогичным параметром для пластмасс и заметно ниже, чем, к примеру, у алюминиевых и титановых кристаллических сплавов. (Тонкости предлагаемой технологии можно найти в статье в журнале Materials Today.)

Любопытно, что среди авторов новой работы есть представитель американской компании Liquidmetal Technologies, занятой коммерциализацией аморфных металлических сплавов и продающей на рынке несколько сортов таких материалов под торговой маркой Vitreloy. Можно надеяться, что разработка физиков из Йеля тоже окажется на рынке. Шрирс считает её «новой парадигмой обработки металлов» и сравнивает её потенциальное влияние на общество с тем, что оказало бурное развитие индустрии пластмасс в XX веке.