В лаборатории Беркли раскрыли тайну идеального алюминиевого сплава

Источник: newscenter.lbl.gov

Еще во времена братьев Райт, когда был создан первый двигатель самолета, металлурги создали технологию введения в алюминий легирующих наночастиц (правда, тогда слово «наночастицы» было еще неизвестно). Процесс получил название «твердофазное осаждение». В расплав алюминия вводятся атомы легирующих металлов, затем материал быстро охлаждается. Атомы мигрируют сквозь твердую матрицу металла и собираются в мелкодисперсные частицы, размер которых равен миллиардным долям метра. Ученые давно выяснили, что характеристики алюминиевого сплава зависят от размера, формы и равномерности распределения наночастиц легирующих металлов.

Команда специалистов Лаборатории Беркли (США) во главе с Велимиром Радмиловичем и Ульрихом Даменов представила структуру «идеального» алюминиевого сплава, обладающего высокой механической прочностью, сопротивлением к разрушению, устойчивостью к коррозии и легкостью. В алюминиевой матрице (темный фон на картинке) находятся зерна, состоящие из алюминия, скандия и лития (темные кружки), окруженные сферической оболочкой из алюминия и лития (светлые кольца). Что особенно важно, размер зерен и оболочек может быть разным. При этом общий размер частиц — одинаковый. То есть если диаметр ядра меньше, то диаметр оболочки больше, и наоборот.

Скандий — один из наиболее мощных усилителей для алюминия, введение в сплав всего 1% скандия может значительно улучшить его характеристики. Литий придает сплаву не только легкость, но и силу. При подборе оптимальной пропорции скандий и литий взаимодействуют между собой и наделяют алюминиевый сплав замечательными свойствами. Но главная «изюминка» сплава, разработанного в Лаборатории Беркли — это новая двухступенчатая технология получения. Расплавы трех металлов смешиваются и быстро охлаждаются. Затем твердая смесь в течение 18 часов нагревается до 450˚ С. В это время в сплаве формируются зерна, состоящие из алюминия, скандия и лития. Причем литий выступает в качестве катализатора процесса. Зерна неодинаковы по размеру, но в среднем их диаметр не превышает 9 нм.

После охлаждения сплава начинается второй этап процесса — смесь нагревается до 190˚ С в течение четырех часов. В это время формируются сферические оболочки наночастиц. Скандий при такой температуре неподвижен, зато атомы лития могут свободно перемещаться. Они собираются вокруг зерен, как атомы воды кристаллизуются вокруг частичек пыли при образовании снежинок. Толщина оболочек также неодинакова, среднее значение — 10 нм. В настоящее время ученые планируют создать другие сплавы на основе алюминия с наночастицами «зерно в оболочке», без использования скандия. Этот редкоземельный металл в десять раз дороже золота, поэтому сплав со скандием получается слишком дорогим.

Рисунок: newscenter.lbl.gov