Учёные Сибирского федерального университета (СФУ) научились управлять неравномерностью свойств сплавов для создания более прочных корпусов спутников и самолётов.
Гнём свою линию
В металлах и сплавах, как и в минералах, атомы формируют упорядоченную структуру – кристаллическую решётку, которая определённым образом ориентирована в пространстве. В зависимости от того, по какой оси кристалла прикладывается напряжение, он может вести себя по-разному, говорят специалисты СФУ.
– Атомы в кристаллической решётке располагаются несимметрично, – поясняет один из авторов исследования, заведующий кафедрой обработки металлов давлением СФУ Денис Ворошилов. – Из-за этого в разных направлениях расстояния между атомами и силы меж-
атомных связей различаются. Поэтому и свойства металла, зависящие от кристаллической решётки (прочность, пластичность, модуль упругости), будут разными.
Учёный добавил, что гнуть металлический лист вдоль волокон сплава проще, чем поперёк, однако его внутренние напряжения будут выше, а риск появления трещин на внешнем радиусе вырастет. А согнуть лист поперёк волокон сложнее, однако риск трещин на внешнем радиусе окажется ниже, а угол изгиба получится более стабильным. Поэтому у деталей, работающих на изгиб, линию изгиба традиционно делают поперёк волокон, чтобы снизить риск разрушения.
«Управлять» неравномерностью свойств сплавов алюминия учёные предложили с добавлением редкоземельного элемента скандия, которые используют для постройки корпусов самолётов и спутников. По мнению специалистов, новый подход позволит снизить количество бракованных тонкостенных деталей из сплава 1580. Последний представляет собой экономнолегированный деформируемый алюминиевый сплав системы Al-Mg-Sc (алюминий – магний – скандий), разработанный компанией РУСАЛ совместно с Сибирским федеральным университетом.
– Специальный способ прокатки также позволит экономить ресурсы за счёт большего процента качественных деталей, – уточняет аспирант кафедры обработки металлов давлением СФУ Марина Ворошилова. – Особенно критично это из-за добавления в подобные материалы дорогих редкоземельных элементов.
Повысить порог
Тем временем учёные Уральского федерального университета (УрФУ) создали новые материалы, которые смогут дольше выдерживать высокие температуры при работе авиа-ционных двигателей. Эти сплавы на основе титана с высоким содержанием алюминия, согласно лабораторным данным, смогут увеличить срок службы деталей двигателей.
– Сегодня титановые сплавы могут работать при температуре 600 ℃ только короткий промежуток времени, но этого недостаточно для современных двигателей, – объясняет один из авторов работы, заведующий кафедрой термообработки и физики металлов УрФУ Артемий Попов. – Поэтому наша задача – за счёт разработки режимов обработки или корректировки составов материалов повысить этот порог. Ещё один вариант – продлить срок службы этих сплавов со 100 часов до 200–300.
Особенно, по словам специалиста, востребованы надёжные материалы в авиационных двигателях, турбинах и других устройствах, где в «эпицентре» температура достигает тысячи градусов по Цельсию и выше. Вспомогательные системы, которые расположены рядом с этими элементами (например, компрессоры и вентиляторы), должны выдерживать температуры 600–650 ℃ в течение всего периода работы устройства.
Для этого учёные УрФУ создали новые материалы с повышенным содержанием алюминия, из которых возможно производить более надёжные вспомогательные детали.
– К примеру, после каждых 100 часов налёта самолёта при экстремальных режимах двигатель нужно снимать, осматривать и ремонтировать, – говорит Попов. – Это не каждые 100 часов в воздухе, а именно 100 часов интенсивной работы – в первую очередь на взлёте и на посадке. Если удастся увеличить время взлёта и посадки, продлить срок службы этих двигателей, то получится и увеличить экономические показатели использования двигателя.
Учёные продолжают работать с опытными образцами весом не более 30–40 килограммов. Для изготовления изделия этого мало, ведь нужно не менее полутонны сплава. В будущем учёные планируют увеличить объёмы производства материала и внедрить его в полупромышленное производство.
Василий АКУЛОВ.
