Исследователи Института материалов IMDEA разработали новый высокоэнтропийный жаропрочный сплав, пригодный для 3D-печати, для реактивных двигателей. Новый высокоэнтропийный жаропрочный сплав на основе кобальта (Co) и никеля (Ni) (CoNi-HESA), способный выдерживать более высокие рабочие температуры, может стать шагом на пути к созданию более мощных и экономичных авиационных двигателей.

Разработка и производство нового CoNi-HESA описаны в недавно опубликованной статье в журнале Materials & Design: Лазерная порошковая плавка нового высокоэнтропийного суперсплава на основе CoNi.

Важно отметить, что исследователям удалось оптимизировать конструкцию материала для аддитивного производства с помощью технологии лазерной плавки порошковых материалов (LPBF). Это, помимо прочих преимуществ, позволяет изготавливать компоненты с меньшим количеством дефектов и более однородной микроструктурой.

«В аэрокосмической отрасли давно признана критическая важность повышения максимальной рабочей температуры авиационных двигателей для повышения их эффективности», — заявил профессор Хосе Мануэль Торральба, старший научный сотрудник IMDEA Materials и один из авторов публикации. «В связи с этим значительные усилия были направлены на разработку современных металлических и интерметаллических материалов с исключительными эксплуатационными характеристиками».

Эксплуатация авиационных двигателей при более высоких температурах повышает тепловой КПД и тягу, что приводит к повышению топливной экономичности и производительности. Однако для этого требуются материалы, способные выдерживать экстремальные температуры и нагрузки без ухудшения характеристик. Никелевые суперсплавы уже несколько десятилетий занимают лидирующие позиции в производстве реактивных двигателей благодаря своим выдающимся высокотемпературным свойствам.

Суперсплавы на основе кобальта, в свою очередь, обладают превосходной стойкостью к коррозии и окислению. Однако возможности инженеров использовать эти свойства при проектировании и производстве реактивных двигателей ограничены их относительно низкой жаропрочностью по сравнению с аналогами на основе никеля.

Объединив выдающиеся свойства двух семейств суперсплавов, исследователи смогли создать новый сплав CoNi-HESA, демонстрирующий как превосходную пластичность, так и высокую жаропрочность. Авторами работы являются профессор Торральба, бывшие исследователи IMDEA Materials доктор Ахад Мохаммадзаде и Алессандро Де Нарди, а также доктор Амир Мостафаи из Иллинойсского технологического института.

«Благодаря тщательному сочетанию лазерного порошка и скорости сканирования в процессе LPBF разработанный CoNi-HESA отлично подходит для производства трещиностойких компонентов высокой плотности», — сказал профессор Торральба.

Помимо возможности управления мощностью лазера и скоростью сканирования для снижения температурного градиента и скорости охлаждения напечатанного компонента, применяемая технология LPBF также позволяла предварительно нагревать порошковый слой и/или уменьшать толщину слоя. Было также показано, что это улучшает термические и механические свойства деталей, изготовленных методом аддитивного производства.

«В заключение мы можем заявить, что гипотеза о том, что разработка суперсплавов на основе CoNi с помощью термодинамических прогнозов, основанных на энтропии смешения, может существенно улучшить свойства материала, подтвердилась», — сказал профессор Торральба. «Это открывает большие перспективы для будущих применений аддитивного производства в таких областях, как энергетика, космос и ядерная техника».

Источник