Исследователи из США разработали новый металлический сплав, который остается сверхпрочным и вязким как при экстремально низких, так и при высоких температурах. Считается, что достичь этого необычного сочетания практически невозможно. Сплав, состоящий из ниобия, тантала, титана и гафния идеально подходит для использования в высокоэффективных аэрокосмических двигателях и других технологически сложных областях.

В основе большинства сплавов — один базовый металл, в расплав которого добавлена, как правило, небольшая часть другого металла или металлов. Например, обычная сталь содержит более 99% железа, а остальное — углерод. Однако новый сплав относится к классу тугоплавких высокоэнтропийных сплавов (RHEA) или среднеэнтропийных сплавов (RMEA), которые характеризуются почти равным содержанием элементов с высокими температурами плавления, что придаёт им уникальные свойства.

Традиционно RHEA и RMEA известны своей прочностью, но имеют низкую устойчивость к разрушению, из-за чего склонны к ломке под нагрузкой. Однако новый сплав (Nb45Ta25Ti15Hf15) ломает эти стереотипы, обладая ударной вязкостью, которая в более чем 25 раз выше, чем у типичных RMEA при комнатной температуре.

Исследователи испытывали сплав при различных температурах, анализируя его прочность и ударную вязкость при –196°C (температура жидкого азота), 25°C (комнатная температура) и на нескольких высоких температурах вплоть до 1200°C. Материал сохранял высокую прочность и сопротивление разрушению при всех тестированиях. Никакой другой сплав не обладает подобной прочностью.

Команда исследователей и раньше работала с RHEA и RMEA, поэтому сначала не могла понять, почему новый материал настолько прочный. Оказалось, в этом ему помогал «дефект»: ударную вязкость обеспечивает полоса излома.

Чтобы обнаружить это, ученые использовали четырехмерную сканирующую трансмиссионную электронную микроскопию (4D-STEM) в Molecular Foundry лаборатории Беркли.

Дэвид Кук, аспирант Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и первый автор исследования, объяснил, что эффективность преобразования тепла в электричество или тягу зависит от температуры сгорания топлива, при этом чем выше температура, тем лучше. Однако, по его словам, рабочая температура ограничивается конструкционными материалами, способными выдерживать такие условия. Он отметил, что возможности для дальнейшей оптимизации текущих материалов при высоких температурах исчерпаны и потому существует потребность в новых материалах, пригодных в первую очередь для ракетостроения, что делает этот сплав особенно перспективным.