Созданы новые суперсплавы для газотурбин и ракетных двигателей
Современная аэрокосмическая техника предъявляет очень высокие требования к используемым материалам. К стандартным требованиям легкости и высокой прочности зачастую прибавляется и жаропрочность. Например, в газотурбинных и ракетных двигателях температура превышает 1000°С, и в этих условиях материалу надо не просто существовать, а работать при экстремальных механических нагрузках (скорость вращения отдельных деталей превышают 100 тысяч оборотов в минуту).
Обычные металлы и сплавы с такой задачей не справляются. Они начинают размягчаться и "ползти" при температурах, существенно меньших, чем температура плавления. Возникает потребность в новом классе твердых, нехрупких, коррозионно- и износоустойчивых, а самое главное - жаропрочных материалов.
На сегодняшний день для этих целей используются никелевые суперсплавы (с их структурой и свойствами можно познакомиться в статье Упорядочивающиеся сплавы: структуры, фазовые переходы, прочность, Вакс В. Г. // СОЖ, 1997, N 3, с. 115-123). Приставка "супер" отражает здесь не только их выдающиеся характеристики, но и сложную структуру. При закаливании внутри неупорядоченного сплава бок о бок вырастают кристаллические кубики (см. иллюстрацию), и такая структура приводит к очень высокой прочности материала.
Но прогресс неумолим, температура в ракетных двигателях растет с каждым годом, и потому физики ищут новые соединения, которые должны прийти на смену никелевым суперсплавам. В недавней статье исследователей из Университета Тохоку (Япония) J. Sato et al., Science, Vol. 312, No. 5770, p. 90 (7 April 2006) были описаны два новых класса суперсплавов, свойства которых существенно лучше никелевых соединений.
Японцы обнаружили, что суперсплавы на основе кобальта с добавками алюминия, вольфрама и тантала (в частности, Co-8,8Al-9,8W-2Ta, где числа обозначают процентное содержание добавок; кобальт составляет всe остальное, поэтому процент не указывается), а также на основе иридия (Ir-10Al-10W) обладают не только более высокими температурами размягчения, но и большей твердостью, чем стандартные промышленные никелевые суперсплавы. Микрофотографии подтверждают, что и в этих случаях высокая прочность - результат плотной упаковки микрокристалликов в неупорядоченную "матрицу".
Переход на эти сплавы позволит увеличить диапазон рабочих температур как минимум на сотню градусов. Но, по мнению авторов, это не предел. Не исключено, что на основе кобальта и иридия вместе удастся создать суперсплав с еще более впечатляющими характеристиками.