«Алюминий — это новая сталь»: ученые нашли способ сделать металл прочнее

Добавив в расплав алюминия никель и лантан, они смогли создать материал, сочетающий преимущества композиционных материалов и стандартных сплавов: гибкость, прочность, легкость. О разработке, которая открывает новые перспективы в авиа- и автомобилестроении, вышла статья в журнале Materials Letters.

Для производства более легких и быстрых летательных аппаратов и автомобилей требуются, соответственно, все более легкие материалы. Одним из наиболее перспективных является алюминий, а точнее, алюмоматричные композиты — материалы на основе алюминия.

Команда ученых из научной школы «Фазовые превращения и разработка сплавов на основе цветных металлов» НИТУ «МИСиС» создала новый прочный композит алюминий-никель-лантан для авиа- и автомобилестроения. В расплав алюминия добавлялись легирующие элементы, образующие с алюминием химические соединения, которые в процессе затвердевания сплава дают прочный армирующий каркас.

«Наша научная группа под руководством профессора Николая Белова уже многие годы занимается вопросами создания композитов на основе алюминия. Композит Al-Ni-La — одна из таких работ по созданию естественного алюмоматричного композиционного материала, содержащего в структуре свыше 15% (по объему) армирующих частиц.

Особенностью новой разработки является высокая армирующая способность формирующихся химических соединений, имеющих ультрадисперсное строение: диаметр армирующих элементов не превышает нескольких десятков нанометров.

Ранее исследователи ограничивались изучением систем, в которых заведомо невозможно получение эффективного армирующего каркаса, либо получали композиционный материал трудоемкими методами порошковой металлургии (спеканием порошков), либо жидкофазными технологиями замешивания наночастиц в расплав», — рассказывает один из авторов разработки, научный сотрудник кафедры обработки металлов давлением НИТУ «МИСиС», кандидат технических наук Торгом Акопян.

Сегодня армирование алюминия происходит в основном при помощи нанопорошков, однако это крайне дорогой и трудоемкий процесс, и результат не всегда оправдывает потраченные ресурсы. Например, при повышении прочности всего на 5-20% такой показатель, как пластичность, наоборот, может снизиться на десятки процентов или даже в несколько раз. Кроме того, сами частицы слишком крупные — от 100 нанометров до одного-двух микрометров, а их количество в объеме невелико.

Разработка ученых НИТУ «МИСиС» решает проблемы неравномерного армирования и низкой прочности «порошкового» композита: при плавлении размер армирующих частиц после кристаллизации материала на основе системы Al-Ni-La не превышает в поперечном сечении 30-70 нанометров.

Благодаря естественной кристаллизации, частицы распределяются равномерно, создавая армирующий каркас, и композит получается более прочным и гибким, чем его «порошковые» аналоги.

«Предложенный нами композит уже обходит по многим показателям аналоги, в том числе и зарубежные. Однако мы не собираемся останавливаться на достигнутом и в дальнейшем планируем продолжить работу над созданием более совершенных, сложных (3-, 4- и более фазных) и дешевых композитов, производственный цикл которых будет предусматривать использование алюминия технической чистоты и более дешевых легирующих компонентов»,—  добавляет Торгом Акопян.

По словам ученых, предложенный материал можно использовать прежде всего в области авиа- и машиностроения, для проектирования современной робототехники, в том числе беспилотных летательных аппаратов, где снижение массы дрона имеет критическое значение.

Благодаря особенностям формирования структуры, предложенный материал может быть использован для изготовления сложных деталей методами 3D-печати. Кроме того, новые разработки могут иметь и стратегическое значение с точки зрения экономики.

В настоящий момент основную долю прибыли в алюминиевой отрасли России занимает экспорт первичного алюминия. Создание новых высокотехнологичных разработок, обладающих повышенной добавленной стоимостью, позволит повысить прибыль за счет расширения внутреннего и внешнего рынков потребления алюминия.