Когда металл похож на жидкость

Свойства любого материала зависят не только от его химического состава, но и от структуры. В последние десятилетия в самых разных областях техники все более широкое применение находят так называемые аморфные материалы, не имеющие упорядоченной кристаллической решетки (самый известный пример аморфного тела — обычное стекло).

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Один из российских научных центров, работающих с такими материалами, — лаборатория быстрозакаленных материалов НИЯУ МИФИ. О разработке аморфных сплавов, их уникальных свойствах и областях применения «Ъ-Наука» поговорила с одним из руководителей лаборатории, доцентом кафедры физических проблем материаловедения МИФИ Алексеем Сучковым.

— Алексей Николаевич, чем в первую очередь занимается ваша лаборатория?

— Наша лаборатория занимается разработкой уникальных сплавов специального назначения. Речь идет о различных материалах в быстрозакаленном состоянии, которые применяются в тяжелой промышленности — от реакторостроения до ракетостроения. Можно сказать, мы их создаем так же, как люди варят суп, по определенному рецепту: берем щепотку одного, другого, нарезаем металлы в определенной пропорции и загружаем все в плавильную печь. Там металлы расплавляются, смешиваются и образуют гомогенный расплав. Затем этот расплав выливается в изложницу и застывает в виде слитка. Но слитки не конечный продукт: с ними необходимо провести ряд технологических манипуляций. Мы можем делать слитки любых составов, но в основном разрабатываем сплавы на основе алюминия, меди, титана, циркония, никеля и железа. В первую очередь нас интересуют материалы, которые широко применяются и в космосе, и в ракетостроении, и в энергетике и т. д.

— И что вы делаете со слитками?

— С помощью сверхбыстрой закалки расплава мы перерабатываем слитки в ленты. Расплав выдавливается на медный вращающийся диск, где металл застывает в виде ленты. При этом остывание происходит со скоростью от 10 тыс. до 1 млн градусов в секунду. В результате слиток превращается в изящную ленту, обладающую особенной атомарной структурой.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— В чем же ее особенность?

— Изначально слиток находился в кристаллическом состоянии — так всегда бывает в металлургическом производстве, когда остывает расплавленный металл. Но если охлаждать расплав очень быстро, со скоростью до 1 млн градусов в секунду, то получается материал с интереснейшими структурными особенностями: он сохраняет структуру переохлажденной жидкости — аморфную структуру. А по своим свойствам кристаллический и аморфный сплавы различаются кардинально. Слиток хрупкий, лента — гибкая и упругая. По прочности аморфный сплав может до десяти раз превосходить кристаллический сплав того же химического состава. Кроме того, аморфные сплавы упруги, а их коррозионная стойкость значительно выше, поскольку в аморфном материале нет границ зерен — электрохимические механизмы коррозии протекают гораздо медленнее. Дело в том, что в кристаллическом материале между зернами возникает эффект гальванической пары, чего в аморфном материале не происходит. Такую ленту можно мять, рвать, резать, как бумагу, хотя в кристаллическом состоянии этот же материал был бы хрупким. И эту ленту можно использовать по назначению.

— И где же ее можно применять?

— В первую очередь мы занимаемся разработкой сплавов для пайки, то есть создаем припои. Разумеется, не те свинцовые и оловянные, что продают на рынке. Это припои специального назначения для получения соединений элементов, работающих в крайне агрессивных условиях: при высоких температурах, иногда и свыше 1 тыс. градусов, под радиационными или механическими нагрузками, в агрессивной коррозионной среде. Пример — анод рентгеновской трубки. Это диск из молибдена, соединенный с графитом; он работает при температуре 1,5 тыс. градусов и вращается со скоростью 9 тыс. оборотов в минуту. Представляете, какие нагрузки принимает на себя это изделие? Граница между молибденом и графитом полностью пропаяна — и это возможно только с применением таких припоев.

Другое интересное применение — в термоядерном реакторе. Во Франции строится экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР. У него есть энергонапряженные элементы — так называемые первая стенка и диверторы, которые принимают на себя максимальные тепловые нагрузки, особенно при срыве плазмы или под воздействием мощных нейтронных потоков. Металлические части реактора резко разогреваются, могут даже расплавиться, поэтому для их изготовления используется самый тугоплавкий металл — вольфрам. Но для охлаждения его необходимо присоединить на теплоотводящую основу, в качестве которой применяется хромоциркониевая бронза. Задача в том, что у вольфрама и меди сильно различаются физические свойства: коэффициент термического расширения разнится в пять раз. При резких термоударах вольфрам и медь расширяются по-разному, из-за чего соединение может разорваться. И эта сложная задача тоже решена с помощью специально разработанного припоя.

— МИФИ прежде всего ассоциируется с ядерной энергетикой. Для нее тоже нужны аморфные материалы?

— Например, в активной зоне ядерных реакторов применяют так называемые ЦДР — циркониевые дистанционирующие решетки, которые удерживают тепловыделяющие элементы (твэлы) на строго определенном расстоянии друг от друга. Каждый элемент такой решетки сейчас сваривается по отдельности точечной сваркой. Мы же предложили технологию с использованием ленточных припоев. С помощью таких лент можно изготавливать и антидебризные фильтры — элементы, устанавливаемые в тепловыделяющую сборку реактора. Их задача — улавливать посторонние частицы (продукты коррозии и др.), которые могут попасть в теплоноситель (обычно воду) при обслуживании оборудования. В авиации эти припои применяют для изготовления лопаток газотурбинных двигателей. Разумеется, в зависимости от назначения используются разные материалы: стали, циркониевые сплавы, керамика, стекла, тугоплавкие металлы. Под каждую задачу разрабатывается свой сплав-припой.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— А если материал нужен не в виде ленты, а в виде порошка?

— Значит, ленту нужно превратить в порошок. Есть разные варианты. Можно перевести в порошок и слиток, но он будет обладать несколько иными свойствами. Если нагреть ленту, материал перейдет из аморфного состояния в кристаллическое, поскольку по своей природе металлу свойственно находиться в кристаллическом состоянии — это минимум свободной энергии. При нагреве атомы начинают перестраиваться, диффундировать, аморфная структура плавно превращается в кристаллическую, и материал становится хрупким. Затем такую ленту можно просто механически размолоть. Размеры гранул варьируются в зависимости от назначения, но традиционно используются гранулы размером менее 400 мкм. Этим порошком уже можно паять. Можно смешать порошок с пастой и наносить припой из тюбика; затем изделие нагревается, припой за счет капиллярных сил сам затягивается в зазоры — получается неразъемное соединение.

— Но припоями деятельность вашей лаборатории не ограничивается?

— Основное применение для таких порошков — это, конечно, пайка. Но мы заметили, что существуют технологии, придающие гранулам порошка сферическую форму. В общем случае после размола частицы имеют так называемую осколочную форму. Однако сейчас очень популярны аддитивные технологии, в том числе 3D-печать по металлу. В аддитивных технологиях применяются исключительно сферические порошки, частицы которых имеют форму шара, и чем ближе к идеалу, тем лучше, поскольку насыпная плотность и текучесть порошка будут максимальными. Мы подумали: почему бы не попробовать сделать наши порошки сферическими? А коль наши технологии позволяют получать эти сплавы в аморфном состоянии, то почему бы не получить порошки, с помощью которых можно печатать, используя технологию SLM — селективного лазерного плавления?

— А почему вообще возник вопрос о 3D-принтерах?

— Задача состояла в том, чтобы попробовать напечатать изделие приличного объема, сохранив аморфную структуру. Проблема в том, что традиционными методами литья из аморфных сплавов можно получать только небольшие изделия — миллиметрового размера. Самую большую толщину традиционным литьем получают из палладия — 80 мм (диаметр слитка), но палладий — драгоценный металл, и цена изделия будет очень высокой. Поэтому ученые по всему миру создают системы, позволяющие отливать изделия из сплавов с аморфной структурой. А поскольку мы в нашей лаборатории создаем такие сплавы на основе циркония для припоев, мы решили отработать технологию получения порошка, совместить ее с технологией SLM и попробовать вырастить что-то интересное. И у нас это в принципе получилось: мы прошли первый этап — получили порошок. Далее применяется технология так называемой плазменной сферидизации, которая есть в Институте металлургии имени Байкова. Мы прогоняем порошок через плазму: каждая частица, проходя через плазму, расплавляется и за счет минимизации энергии принимает форму капли, то есть шара. В результате получается тот же порошок, но с частицами сферической формы, обладающий очень высокой текучестью,— такой порошок ведет себя буквально как жидкость.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— И этот порошок уже можно использовать в 3D-принтерах?

— В принципе да. Разумеется, мы провели множество экспериментов. Мы решили получить на 3D-принтере сложную геометрию: взяли ячеистые и гироидные структуры, попробовали напечатать — и показали, что готовые изделия получаются полностью аморфными. Их предел прочности достигает 2 МПа, что в четыре-пять раз больше, чем у пространенных коррозионностойких сталей. Это уникальный материал.

— Где это можно применять?

— В самых разных областях: для производства протезов, для создания упругих элементов в технических системах, например механических приводов. В мире аморфные материалы сейчас очень широко применяют при изготовлении электроаппаратуры: ноутбуков, смартфонов, планшетов. Все они внутри напичканы большим количеством аморфных материалов. Те элементы смартфонов, которые открываются и закрываются, как раз делаются из аморфных материалов, потому что у них очень хорошие усталостные свойства: материал может миллионы и даже миллиарды циклов работать на сжатие и растяжение без потери свойств. Кроме того, такие материалы, как я уже сказал, не имеют в своей структуре границ зерен, а значит, на границах не образуются примеси и поэтому их можно использовать в криогенных условиях, например в Арктике. Одна из проблем там — материалы при сверхнизких температурах становятся хрупкими. Это особенно актуально в условиях открытого космоса, когда космические аппараты отправляют к астероидам: на солнце — плюс 200 градусов, а в тени — минус 200 градусов. Эта «термокачка» играет злую шутку с материалами. Аморфные же материалы в принципе могут быть использованы и здесь. Поэтому наша задача — развить и масштабировать эти технологии в нашей стране.

— Это новое направление?

— Еще в 1960-х годах в СССР все это развивалось, но применение было сравнительно узким — в основном для намотки сердечников трансформаторов. Ограничение было связано с геометрией: не удавалось получать крупные изделия, поэтому направление, можно сказать, остановилось в развитии — использовали только магнитные либо резисторные свойства аморфных сплавов. Но сейчас, когда научились получать габаритные изделия, мне кажется, отношение к этому классу материалов будет очень сильно пересмотрено.

Беседовал Константин Фрумкин