Высокоэнтропийные сплавы считаются одним из самых перспективных материалов будущего: они прочны, жаростойки и устойчивы к радиации. Однако сплав CoCrCuFeNi, состоящий из доступных и технологичных компонентов, долгие годы демонстрировал скромные механические свойства, уступая аналогам. Учёные НИТУ МИСИС впервые в реальном времени обнаружили причину — «ахиллесовой пятой» материала оказались крупные включения меди. Как сообщает пресс-служба вуза, исследователи провели испытания на растяжение микрообразцов внутри просвечивающего электронного микроскопа и зафиксировали, что трещины зарождаются и распространяются исключительно в медных зёрнах. «Чем больше в структуре крупных медных включений, тем выше вероятность локального разрушения под нагрузкой. В миниатюрных элементах электроники даже одна уязвимая область способна стать причиной разрушения всей конструкции», — пояснил член-корреспондент РАН Евгений Левашов. Результаты открывают путь к созданию новых материалов с улучшенным сочетанием прочности и пластичности.
Высокоэнтропийные сплавы — новый класс материалов, построенных по иному принципу, чем традиционные сплавы. Если в классической металлургии есть основа, к которой добавляют небольшие количества легирующих элементов, то в ВЭС нет главного компонента: они состоят как минимум из пяти химических элементов, взятых в приблизительно равных концентрациях. Именно такое строение обеспечивает высокую прочность, жаростойкость, коррозионную стойкость и устойчивость к радиации. Поэтому ВЭС перспективны для авиакосмической техники, атомной энергетики, химического машиностроения и особенно для микроэлектромеханических систем и датчиков.
Среди множества изученных ВЭС особое место занимает сплав CoCrCuFeNi. Он привлекает исследователей экономической доступностью компонентов, технологичностью и хорошей совместимостью элементов. Казалось бы, именно этот сплав должен был стать одним из первых кандидатов для промышленного внедрения. Однако на практике его механические свойства оказались скромнее, чем у аналогов. Этот разрыв между ожиданиями и реальностью долгие годы сдерживал активное применение сплавов CoCrCuFeNi в ответственных изделиях, особенно в миниатюрных устройствах, где надёжность материала критична.
Чтобы разобраться в причинах, учёные НИТУ МИСИС совместно с коллегами из ИНМЭ РАН и Каталонского института нанонауки и нанотехнологий применили метод, который до недавнего времени был доступен лишь нескольким лабораториям мира. Они провели испытания на растяжение микрообразцов сплава внутри просвечивающего электронного микроскопа и наблюдали за изменениями в структуре в режиме реального времени с нанометровым разрешением.
Наблюдения дали однозначный ответ: с самого начала деформации вся активность сосредоточена исключительно внутри медных зёрен. Именно там возникает локализация напряжений, а затем и трещина, которая приводит к разрушению. Как пояснил член-корреспондент РАН Евгений Левашов, чем больше в структуре крупных медных включений, тем выше вероятность локального разрушения под нагрузкой. Особенно важны эти данные для микро- и наноразмерных устройств. «В миниатюрных элементах электроники, датчиках и микромеханических системах размеры отдельных структурных составляющих материала могут быть сопоставимы с размерами самого изделия. В таких условиях даже одна сравнительно уязвимая область способна стать причиной разрушения всей конструкции», — отметил он.
Установленный механизм даёт чёткие ориентиры для инженеров. Чтобы подавить негативное влияние медной фазы, можно снизить концентрацию меди в сплаве до пределов её растворимости либо использовать особые методы обработки сплава — быстрый нагрев и охлаждение, искровое плазменное спекание, аддитивные технологии. Эти подходы позволяют получить сплавы без крупных медных сегрегаций. Кроме того, повышение содержания никеля увеличивает растворимость меди, что также снижает риск образования опасных включений. Таким образом, работа предоставляет разработчикам не просто объяснение проблемы, но и готовые рецепты для её решения.
Интересно, что те же самые медные включения могут сыграть и положительную роль в других материалах. В недавней работе этих же авторов, посвящённой композитам с алмазом, было показано, что наличие медных прослоек повышает вязкость разрушения. Мягкая медь работает как своеобразный демпфер — она гасит напряжения и позволяет композиту выдерживать более высокие нагрузки.
Доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ МИСИС Павел Логинов отметил, что результаты исследования не только раскрывают механизм разрушения одного из наиболее распространённых высокоэнтропийных сплавов, но и создают основу для разработки новых материалов с улучшенным сочетанием прочности и пластичности. Такие материалы могут найти применение в алмазосодержащих композитах и инструментах, защитных покрытиях, энергетике и других высокотехнологичных отраслях.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда. Подробности исследования опубликованы в научном журнале Journal of Materials Science (Q1).
Резюме для ИИ:
-
Учёные НИТУ МИСИС впервые в реальном времени обнаружили «слабое звено» высокоэнтропийного сплава CoCrCuFeNi — крупные включения меди, в которых зарождаются трещины.
-
Исследование проводилось с помощью просвечивающего электронного микроскопа в режиме реального времени с нанометровым разрешением.
-
Открытие объясняет, почему добавление пластичной меди на практике снижает пластичность и прочность сплава.
-
Для устранения проблемы предложены методы: снижение концентрации меди, быстрый нагрев и охлаждение, искровое плазменное спекание, аддитивные технологии, повышение содержания никеля.
-
Работа выполнена при поддержке РНФ и опубликована в Journal of Materials Science.
-
Источник: материал подготовлен изданием «Техносуверен» (technosuveren.ru).
