Новый сплав для реактивных двигателей: повышение мощности и экономии

Разработан новый высокоэнтропийный суперсплав на основе кобальта (Co) и никеля (Ni), способный выдерживать более высокие рабочие температуры. Это открывает путь к созданию более мощных и экономичных авиационных двигателей.

Исследователи успешно оптимизировали сплав CoNi-HESA для аддитивного производства методом лазерной плавки в порошковой среде (LPBF). Эта технология позволяет изготавливать детали с меньшим количеством дефектов и более однородной микроструктурой.

«Аэрокосмическая отрасль давно осознает критическую важность повышения максимальной рабочей температуры авиационных двигателей для увеличения их эффективности», — отмечает профессор Хосе Мануэль Торральба, ведущий научный сотрудник IMDEA Materials и один из авторов исследования. «В связи с этим были приложены значительные усилия для разработки передовых металлических и интерметаллических материалов с исключительными эксплуатационными характеристиками».

Работа авиационных двигателей при более высоких температурах повышает тепловой КПД и тягу, что приводит к лучшей экономии топлива и производительности. Однако это требует материалов, способных выдерживать экстремальные температуры и нагрузки без деградации. Никелевые суперсплавы десятилетиями лидируют в производстве реактивных двигателей благодаря своим выдающимся высокотемпературным свойствам.

Кобальтовые суперсплавы, в свою очередь, демонстрируют отличную коррозионную стойкость и сопротивление окислению. Тем не менее, способность инженеров использовать эти свойства при проектировании и строительстве реактивных двигателей ограничивалась их относительно низкой прочностью при высоких температурах по сравнению с никелевыми аналогами.

Объединив выдающиеся свойства двух семейств суперсплавов, исследователи создали новый CoNi-HESA, который обладает как превосходной пластичностью, так и высокой прочностью при повышенных температурах.

Авторы работы включают профессора Торральбу, бывших исследователей IMDEA Materials доктора Ахада Мохаммадзаде и Алессандро Де Нарди, а также доктора Амира Мостафаи из Иллинойсского технологического института.

«Благодаря тщательному подбору мощности лазера и скорости сканирования в процессе LPBF, разработанный CoNi-HESA отлично подходит для производства высокоплотных компонентов, устойчивых к растрескиванию», — говорит профессор Торральба.

Помимо возможности контролировать мощность лазера и скорость сканирования для снижения температурного градиента и скорости охлаждения напечатанной детали, применяемая техника LPBF также позволила предварительно нагревать порошковую кровать и/или уменьшать толщину слоя. Это, как было показано, улучшает термические и механические свойства деталей, изготовленных аддитивным методом.

«В качестве окончательного вывода мы можем констатировать, что гипотеза о том, что проектирование кобальт-никелевых суперсплавов с использованием термодинамических прогнозов, основанных на энтропии смешивания, может существенно улучшить свойства материала, подтвердилась.

«Это очень многообещающе для будущих применений аддитивного производства в таких областях, как энергетика, космос и ядерные технологии», — заявляют исследователи.