Новая прочная медь

С помощью цикла термообработки исследователи разработали устойчивый к разрушению сплав, который выдерживает высокие циклические нагрузки, необходимые для эластокалорического охлаждения.

Токийский научный университет

Изображение: Исследователи Токийского научного университета разработали более прочный сплав, подвергая его многократному нагреву и охлаждению через границу фаз, что приводит к увеличению размера зерен и меньшему количеству границ зерен.посмотреть больше

Фото: Кенджиро Фудзимото из TUS, Япония.

Эластокалорический эффект — это явление, при котором материал меняет температуру под воздействием механического напряжения. Изменение температуры происходит за счет разницы энтропии, возникающей в результате мартенситного превращения, сопровождающегося изменением кристаллической структуры материала под действием напряжения. Аналогичный эффект наблюдается при растяжении резиновой ленты: ее полимерные цепи выстраиваются упорядоченно, что приводит к уменьшению ее энтропии. Это приводит к тому, что резиновая лента отдает тепло в окружающую среду и становится теплее. Когда резинку отпускают, происходит обратное, и резинка остывает.

Подобно резиновым лентам, металлические сверхэластичные сплавы с памятью формы (SMA) также могут использовать эластокалорический эффект для охлаждения. SMA на основе меди (Cu), состоящие из Cu, алюминия (Al) и цинка (Zn), особенно перспективны из-за их низкой стоимости и умеренных требований к нагрузке для запуска повышения температуры. Однако SMA Cu-Al-Zn страдают от проблем циклической усталости, поскольку их крупные кристаллические зерна и многочисленные границы зерен подвержены разрушению из-за многократного расширения и сжатия.

Теперь в исследовании, опубликованном в журнале Journal of Physics: Energy 31 марта 2023 года, профессор Кенджиро Фудзимото из Токийского научного университета, профессор Ичиро Такеучи из Университета Мэриленда вместе с исследователями из Мэрилендской энергетики и сенсорных технологий, США, разработали высокопрочный Cu-Zn-Al SMA, способный выдерживать большое количество циклических нагрузок. «Мы искали условия, способствующие росту зерен сплава 68Cu-16Al-16Zn для улучшения его эластокалорических свойств», — говорит профессор Фудзимото, объясняя мотивацию своего исследования.

Недавно они сообщили, что многократное нагревание и охлаждение сплавов Cu-Al-Mn в смешанных и высокотемпературных фазах увеличивает размер зерен материала. Заинтригованная этими открытиями, команда решила выяснить, могут ли подобные фазовые превращения улучшить свойства сплавов Cu-Zn-Al.

Чтобы получить сплавы Cu-Al-Zn, исследователи объединили Cu, Al и Zn в углеродном тигле. Они плавили металлы при низком давлении, чтобы подавить улетучивание цинка. После того, как сплав был приготовлен, исследователи охладили его и прокатали в слитки толщиной 7 мм с тремя различными скоростями прокатки (0%, 67% и 83% соответственно). Затем температуры границы раздела фаз сплава были определены с помощью высокотемпературной рентгеновской дифракции, которая показала, что фазовая граница между смешанной фазой и высокотемпературной фазой происходит между 700°C и 750°C. Исходя из этого, исследователи неоднократно нагревали и охлаждали сплав в диапазоне от 500°C до 900°C.

Во всех слитках, прошедших цикл термообработки, наблюдалось увеличение размера кристаллического зерна, причем максимальное увеличение наблюдалось в прокатанных сплавах на 67%. Размер зерна исходного слитка составил 2,21 мм, но средний размер зерна термообработанного слитка этой группы увеличился до 11,1 мм.

«Результаты показывают, что термообработка поперёк периодической границы фаз, в дополнение к коэффициенту прокатки 67%, эффективна для роста монокристаллических зерен», — говорит профессор Фудзимото. Благодаря более крупным зернам и меньшему количеству границ зерен термообработанный сплав был гораздо более устойчив к разрушению и мог выдерживать более 60 000 механических циклов при деформации 2%.

Процесс термообработки также привел к значительному улучшению упругокалорических свойств сплава Cu-Zn-Al. По сравнению с ранее сообщенными сплавами того же состава, термообработанный сплав показал скрытую теплоту 6,3 Дж/г при снятии деформации, что более чем вдвое превышает ранее измеренное значение 2,3 Дж/г. Это указывает на то, что термообработанный сплав может охлаждаться более эффективно. Кроме того, в сплаве наблюдалась адиабатическая разность температур +5,9 К и -5,6 К при нагружении и разгрузке соответственно при низких циклических нагрузках (106 МПа).