Сотрудники лаборатории высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ нашли способ упрочнения многокомпонентных сплавов, которые выдерживают действие критически низких температур, близких к –200°С. Такие материалы устойчивы к воздействию жидкой среды и отличаются повышенной износостойкостью. Благодаря этому новые модифицированные сплавы можно использовать для упрочнения носовой части ледоколов, изготовления износостойкого режущего материала и для других целей.

Отличительной чертой высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) является их состав. Такие материалы содержат пять металлов и более, смешанных в приблизительно равных количествах, – объясняет сотрудник лаборатории физики высокопрочных кристаллов ТГУ Анна Выродова. – ВЭС обладают уникальными механическими свойствами: высокая прочность, хорошая пластичность при сохранении вязкости (медленности) разрушения вплоть до криогенных температур испытания. Такое поведение является необычным, поскольку в традиционных конструкционных материалах (аустенитная сталь, сталь Гадфильда) повышение прочности сопровождается увеличением хрупкости композита.

В настоящее время сотрудники лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ при поддержке РНФ изучают высокоэнтропийные сплавы – FeNiCoCrMn и (CoCrFeNi)₉₄Al₄Ti₂.

Физики нашли способ значительного повышения прочности сплава (CoCrFeNi)₉₄Al₄Ti₂. Для этого они сначала подвергали его деформации при температуре близкой к –200°С, затем в течение четырех часов выдерживали при температуре +650°С. После этого прочность ВЭС увеличилась в 2,5 раза – как при температурах от комнатной до –196°С, так и при высоких температурах до +700°С.

Этот материал можно использовать при крайне низких температурах, например, для изготовления запорной арматуры на нефтепроводах в Арктике. Высокопрочный сплав, устойчивый к воздействию воды, перспективен для судоходной промышленности, к примеру, для укрепления отдельных частей ледоколов.

Как отмечают учёные, повышение прочности (CoCrFeNi)₉₄Al₄Ti₂ происходит при сохранении преимущественно вязкого разрушении. Данное качество является выгодным отличием, поскольку вязкое разрушение менее опасно, чем хрупкое. При хрупком характере разрушения трещина зарождается и распространяется быстро, а вязкому разрушению предшествует значительное предварительное удлинение, медленное образование и распространение трещины. Это означает, что при использовании ВЭС дефект можно заметить на начальной стадии и принять меры до разрушения детали или конструкции.

Вблизи температуры жидкого азота (-196°С) этот сплав является высокопрочным и выдерживает напряжение порядка 2 ГПа – поясняет заведующий лабораторией физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ, профессор Юрий Чумляков. – При температурах от комнатной и выше прочность порядка 1,5 ГПа в сплаве (CoCrFeNi)₉₄Al₄Ti₂ практически не изменяется и остается постоянной с увеличением температуры.

Что касается прочностных свойств сплава FeNiCoCrMn, изучаемого физиками ТГУ, он имеет другие особенности. При низких температурах (близких к температуре жидкого азота) сплав сохраняет высокую прочность, его пластическая деформация начинается при напряжении 0,5 ГПа, а при высоких температурах (от комнатной и выше) сплав становится низкопрочным и начинает деформироваться при напряжении ниже 0,2 ГПа.

Сейчас в лаборатории решается проблема повышения прочностных свойств высокоэнтропийных сплавов при высоких температурах. Это откроет потенциал для использования их в качестве монокристаллических лопаток для газовых турбин.

Новые результаты научной работы были представлены на международной конференции и школе молодых ученых «Получение, структура и свойства ВЭС» в Белгороде, где ТГУ представляли молодые сотрудники лаборатории – аспирантка ФФ Анна Выродова и магистрантка ФФ Анастасия Сараева.

Исследования ВЭС выполнены в рамках гранта РНФ № 19–19–00217 «Новые высокопрочные моно- и поликристаллы ГЦК высокоэнтропийных сплавов, упрочненные наночастицами: от фундаментальных исследований микроструктуры к механизмам деформации и механическим свойствам», руководитель проекта – доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории физики высокопрочных кристаллов Ирина Киреева.