Прочность титана, лёгкость алюминия: авиационный материал будущего исследуют в МАИ

Интерметаллидные сплавы на основе эквиатомного алюминида титана — материалы, имеющие огромный потенциал в аэрокосмической отрасли. Высокая жаропрочность таких материалов в совокупности с низкой плотностью открывает перспективы существенного снижения массы газотурбинных двигателей летательных аппаратов без ущерба для их качественных характеристик.

О фундаментальных исследованиях российских учёных в области разработки и апробации интерметаллидных TiAl-сплавов рассказала доцент кафедры «Материаловедение и технология обработки материалов» Московского авиационного института, кандидат технических наук Елена Александровна Лукина.

Начнём с терминологии. Что такое интерметаллиды и чем они интересны?

Интерметаллиды — это устойчивые соединения двух или нескольких металлов, часто обладающие комплексом свойств, не присущим каждому из компонентов в отдельности. Как и чистые металлы, они могут служить основой для создания сплавов.

Интерметаллидные TiAl-сплавы (гамма-сплавы) представляют собой перспективный класс жаропрочных материалов, обладающих, с одной стороны, уникальным сочетанием удельной жёсткости и прочности, с другой — высоким сопротивлением окислению. Жаропрочность и жаростойкость, являющиеся следствием самой природы интерметаллидов системы титан—алюминий, определяют работоспособность гамма-сплавов в процессе эксплуатации при температурах 700–800 градусов Цельсия.

Материалы, обладающие сочетанием указанных характеристик, всегда востребованы в авиационном газотурбостроении. Так, по данным компании General Electric, применение гамма-сплавов в турбине низкого давления газотурбинного двигателя может давать преимущество в массе 100–180 кг перед традиционными никелевыми суперсплавами, которые имеют в два раза более высокую плотность.

Однако основными недостатками, ограничивающими практическое применение гамма-сплавов, являются их хрупкость и, как следствие, низкая пластичность в широком интервале температур. Этот недостаток не относится к принципиально неустранимым, поэтому в настоящее время над проблемой повышения пластичности и технологичности сплавов данного класса при сохранении высокой прочности работают многие исследователи по всему миру.

Как давно в МАИ занимаются интерметаллидными сплавами?

Нашу кафедру «Материаловедение и технология обработки материалов» с 1987 по 2019 годы возглавлял академик РАН Александр Анатольевич Ильин, создавший свою научную школу в области материаловедения титановых сплавов. Вот уже более 20 лет сначала им самим, а теперь его учениками, ставшими уже докторами наук, проводятся фундаментальные исследования интерметаллидных титановых сплавов как авиационного (альфа-2, орто-сплавы), так и медицинского назначения.

Ваши исследования — это инициативный проект?

Я работаю в составе научного коллектива, сформированного на базе Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ). Наш молодёжный коллектив, объединивший учёных МАИ и ВИАМ, был создан в 2018 году. Тогда мы сформулировали подходы к решению нескольких частных задач в рамках вышеупомянутой научной проблемы и приняли участие в одном из ежегодных конкурсов на получение грантов Российского научного фонда (РНФ) по Президентской программе исследовательских проектов, реализуемых ведущими учёными, в том числе молодыми. По итогам конкурса эксперты РНФ положительно оценили нашу заявку и она оказалась в заветном списке победителей.

Что конкретно изучается коллективом?

Объектом исследований в нашем научном проекте является новый отечественный шестикомпонентный жаропрочный TiAl-сплав с вариативным содержанием циркония, хрома и гадолиния. Плотность этого сплава не превышает 4,1 г/см3. При получении положительных результатов испытаний он может рассматриваться как альтернатива жаропрочным сплавам на никелевой основе с плотностью 7,8 г/см3 и более для повышения весовой эффективности при изготовлении роторных деталей горячего тракта перспективных газотурбинных двигателей.

Мы проводим фундаментальные исследования структуры и кристаллографической текстуры сплава при термическом и термомеханическом воздействии; эффективность различных режимов обработки оцениваем по изменению механических свойств. В частности, наши работы по исследованию влияния микродобавки редкоземельного элемента — гадолиния — на последовательность фазовых превращений и свойства нового TiAl-сплава продемонстрировали возможность одновременного повышения его прочности и пластичности. Оригинальные результаты работ опубликованы в 2020 году в зарубежном журнале первого квартиля Intermetallics, который выпускается издательством Elsevier. Это одно из наиболее авторитетных периодических изданий в области интерметаллидных материалов. Статьи в него отбираются по итогам рецензирования ведущими учёными — экспертами в обсуждаемой области, что подтверждает высокую оценку полученных результатов.

Вам доводилось работать с другими интерметаллидами?

Да, другая область моих научных интересов связана с интерметаллидными сплавами на основе никелида титана — NiTi. Это особый класс интерметаллидных материалов с уникальным эффектом памяти формы и сверхупругостью, которые объединяют в себе высокую биологическую и механическую совместимость с костно-хрящевыми структурами организма человека.

Никелид титана можно назвать поистине интернациональным материалом, ведь исследованиями его медицинского применения занимаются во многих странах мира. Например, несколько лет назад я стажировалась в Кингстонском университете (Kingston University, Великобритания) и Университетском колледже Лондона (University College London — UCL). По результатам проведенных исследований я защитила диссертацию с присуждением международной степени PhD. В кооперации с зарубежными коллегами было написано несколько статей, посвященных изучению закономерностей коррозионной стойкости и трибологического поведения никелида титана в спинальных имплантатах. Эти работы также были опубликованы в ведущих изданиях, входящих в первый квартиль (Materials Science & Engineering: C; Spine; The Spine Journal).