Эксперты по вычислительному материаловедению из Лаборатории Эймса Министерства энергетики США и их сотрудники определили источник и способ настройки прочности и пластичности класса материалов, называемых высокоэнтропийными сплавами. Это открытие может помочь энергетикам и авиационной промышленности разработать более эффективные двигатели, снижающие расход топлива и выбросы углекислого газа.
Высокоэнтропийные сплавы состоят из четырех или более различных элементов и часто обладают многими желаемыми свойствами - они легкие, прочные, пластичные, устойчивые к коррозии и идеально подходят для производства энергии в экстремальных условиях, таких как авиация. Но, поскольку элементы, входящие в состав сплава, могут варьироваться, а также их относительные пропорции, экспериментальная проверка огромного количества возможных комбинаций и их свойств является сложной и отнимает много времени.
Команда, возглавляемая лабораторией Эймса, использовала метод квантово-механического моделирования для вычислительного обнаружения и прогнозирования атомной структуры особенно многообещающей системы HEA, FexМин.80?xКо10Cr10, и как преобразования и дефекты в этой структуре приводят к получению более прочного и пластичного материала.
"Когда мы сможем точно определить эти превращения и влияние, которое они оказывают на свойства материала, мы сможем предсказать его прочность, и мы сможем преднамеренно спроектировать прочность и пластичность этих очень сложных сплавов", - сказал научный сотрудник лаборатории Эймса Дуэйн Джонсон. Затем эти предсказания были подтверждены экспериментально при изучении монокристаллических образцов с помощью усовершенствованной электронной микроскопии, включая дифракцию с селективной областью и обратным рассеянием электронов. Примечательно, что этот метод применим к любому многоэлементному сложному сплаву.
По словам Джонсона, вычислительный дизайн, основанный на теории, открывает большие перспективы для оптимизации характеристик этих материалов, делая их более прочными, пластичными и во многих случаях менее дорогими. Эти улучшения производительности могут иметь серьезные последствия для применения в экстремальных условиях, таких как турбинные двигатели для производства электроэнергии или авиации, которые работают более эффективно при более высоких температурах.
"Используя этот метод прогнозирования, мы смогли ускорить сроки разработки нашего сплава более чем на 50% и продемонстрировать повышение рабочих температур на 10-20%", - сказал Джонсон. В случае авиации, по его словам, это может привести к экономии средств на сотни миллионов долларов и значительному сокращению выбросов парниковых газов.
Комментарии