Термообработка повысила трещиностойкость сплавов для лопаток авиадвигателей на 30%

Сплавы на основе алюминида титана сочетают небольшую плотность с высокой прочностью и поэтому представляют интерес для авиационной промышленности. Снижение массы деталей двигателя позволяет уменьшить нагрузку на конструкцию и потенциально повысить эффективность силовой установки. Однако широкое применение таких материалов ограничивается их относительно высокой хрупкостью и ухудшением ряда механических характеристик при повышенных температурах.

Один из способов улучшить свойства алюминида титана — легирование. В сплав добавляют, в частности, железо, никель или кобальт. Эти элементы позволяют целенаправленно изменять структуру и свойства материала, но одновременно могут способствовать образованию вторичных фаз — дополнительных структурных составляющих сплава, отличающихся по составу и свойствам от основной матрицы.

Появление таких фаз может отрицательно влиять на механические характеристики материала и его сопротивление разрушению. Полностью предотвратить их образование непосредственно при изготовлении сплава практически невозможно. Поэтому исследователи из НГТУ решили выяснить, можно ли воздействовать на уже сформировавшуюся структуру с помощью последующей термической обработки.

Как отметила одна из авторов исследования Дарья Лазуренко, проведённые эксперименты показали, что при нагреве вторичная фаза может растворяться в основной структуре сплава. Это указывает на возможность использовать термообработку для целенаправленного изменения фазового состава материала и, как следствие, его механических свойств.

Чтобы непосредственно наблюдать происходящие структурные изменения, исследователи применили дифракцию рентгеновского синхротронного излучения. Метод позволяет с высокой точностью отслеживать изменения кристаллической структуры материала непосредственно во время нагрева. Благодаря этому учёные смогли наблюдать, как вторичная фаза постепенно исчезает в процессе термической обработки.

Наиболее заметный эффект был получен для сплавов с добавкой железа. После оптимизации термической обработки их трещиностойкость увеличилась примерно на 30%. Таким образом, исследование показывает, что улучшить характеристики перспективного, но достаточно хрупкого материала можно не только изменением его химического состава, но и управлением формирующейся в нём микроструктурой.

Для авиационной промышленности такой подход представляет особый интерес. Лопатки турбин работают при высоких механических и температурных нагрузках, поэтому способность материала сопротивляться зарождению и распространению трещин имеет принципиальное значение. Если подобную термообработку удастся адаптировать к промышленным технологиям производства деталей, она может расширить возможности применения алюминидов титана в авиационных двигателях.

При этом полученный результат не означает автоматического перехода материала из лаборатории в серийное производство. Необходимо определить оптимальные режимы нагрева и охлаждения, оценить стабильность структуры при длительной эксплуатации и проверить, как обработка влияет на другие характеристики сплава — прежде всего на жаропрочность, пластичность и долговечность при циклических нагрузках.