Металл прочнее титана

Металл прочнее титана

Новый чудо-металл не ржавеет, и его легко можно отливать в нужную форму, словно пластмассу. Он не нуждается в машинной обработке, когда изделие отлито, - очертания точны, а поверхность - безупречно гладкая. По сути дела, если бы у вас была идеальная формочка для отливки, то вы могли бы сделать даже и лезвие для скальпеля, и оно вышло бы острым как бритва и готовым к немедленному употреблению в операционной. А если бы среди металлов выбирали "супер-героя", то все лавры наверняка бы достались именно этому. Так что же это за металл?

Этот супер-металл более чем вдвое превосходит по прочности титан или сталь. Но на этом его преимущества не заканчиваются...

По-английски он называется "ликвид-металл", но не от слова "ликвидировать", а от "liquid", т.е. "жидкий". А назвали его так потому, что аморфное расположение атомов в этом металле напоминает именно жидкость. И у этого "жидкого металла" есть все шансы на то, чтобы в перспективе буквально революционизировать нашу промышленность.

По-русски такие материалы называют обычно "аморфными металлическими сплавами с неупорядоченным расположением атомов в пространстве". Или ещё "металлическим стеклом". Если говорить предельно просто, то аморфными называются такие сплавы, при изготовлении которых расплав был охлажден настолько быстро, что не успел образовать кристаллы. А коль нет кристаллической структуры, то гарантируется высокая прочность на растяжение, высокая ударная вязкость и отличные магнитные свойства.

Строго говоря, не совсем корректно называть этот металл "новым". Первые сообщения о подобных сплавах появились довольно давно - примерно в начале 60-х годов. Ещё в 1959 году было открыто, что если определённые сплавы охлаждать предельно быстро, то атомы не успевают сформировать кристаллы. И эти атомы остаются перемешанными, как в жидкости или стекле. Однако знать об этом - одно. А применить это знание на деле - совсем другое. Нужно было найти способ столь быстрого охлаждения металла, чтобы эти преимущества материализовались.

Американцы же считают, что они открыли свой "жидкий металл" в 1992 году. По сути же они теперь сумели создать такую разновидность сплава, которую можно широко применять на практике. Этого добились в Калифорнийском технологическом институте. Сейчас перспективы использования "нового" металла рассматриваются изготовителями сотовых телефонов, бейсбольных бит, лыж, скальпелей и даже снарядов. Родительская компания "жидкого металла" под названием "Liquidmetal Technologies" полна энтузиазма на предмет потенциальных возможностей универсального и сверхпрочного сплава.

Советником компании является доктор наук Майкл Эшли, профессор Кембриджского университета (Великобритания). В своей беседе с корреспондентом информационного агентства "Ассошиэйтед Пресс" он пояснил, в чём секрет "жидкого металла": "Он уникальным образом сочетает в себе материал с исключительными характеристиками и возможность обработки этого материала для придания ему исключительных форм".

Что же ставит аморфный сплав в особое положение по сравнению со всеми другими металлами?

Это, прежде всего, элементы, из которых он состоит, и то, как они друг с другом связаны. Когда обычный металл остывает, он образует гранулы, проще сказать, - "зерно". Каждое такое "зёрнышко" представляет собой кристалл, в котором атомы выстраиваются в соответствии с кристаллической решёткой. Границы между этими гранулами весьма уязвимы - именно здесь металл ломается или начинает ржаветь. Формирование аморфной структуры металлов и сплавов приводит к исчезновению чётких границ между гранулами. А это обеспечивает фундаментальные изменения свойств материала - магнитных, электрических, механических, сверхпроводящих и др. Как пишет И.В. Золотухин, профессор Воронежского технического университета, прочность аморфных материалов в 5-10 раз выше, чем у кристаллических аналогов, а и их удельное электрическое сопротивление выше в 3-5 раз. Высокие температуры, правда, для них нежелательны, зато при комнатной температуре аморфные сплавы могут сохранять структуру и свойства в течение 104-105 лет.

Но как добиться таких свойств?

К настоящему моменту найдено уже несколько таких способов. Можно, например, распылять жидкий металл чем-то наподобие пульверизатора и, таким образом, наносить его в качестве покрытия на некую очень холодную поверхность (это так называемое ионно-плазменное распыление). Либо наносить жидкий металл на вращающуюся холодную поверхность (диск, колесо, цилиндр). Либо сам диск должен погружаться в расплав и извлекать его в дозированном количестве, пропуская через охлаждающую среду.

В большинстве случаев удавалось получить лишь тоненькие и узенькие ленточки, полосочки металла. Однако отдельные тоненькие полоски никак не удавалось соединить во что-то более крупное. Почему? Потому что ковать такой прочный металл чрезвычайно трудно, - нужно его нагревать до очень высоких температур, а это сводит на нет все преимущества сплава. Словом, цель в этом случае не оправдывает средства.

И, тем не менее, специалисты сумели найти ряд областей применения даже для такого тончайшего металла. Например, его особые магнитные свойства пригодились при изготовлении специальной кодовой маркировки - для борьбы с хищениями. Стали распылять жидкий металл на поверхность буровых труб, что продлевает их срок службы. И т.д.

Вскоре, однако, стало ясно, что пока не решена проблема быстрого охлаждения достаточно больших масс металла, его применение, похоже, останется весьма ограниченным. И тут на сцене фантастического действа появляются два доктора наук из Калифорнийского технологического - Уильям Джонсон и Атакан Перкерс. Они-то и обнаружили, что если делать сплав из металлов, которые "не дружат", т.е. очень плохо сочетаются друг с другом, тогда и кристаллизация идёт туго, т.е. намного медленнее. Джонсон с Перкерсом этим и занялись, т.е. стали делать совершенно немыслимые смеси - титан, медь, никель, цирконий, бериллий. Атомы этих элементов настолько отличаются друг от друга по размеру, что им сложно сформировать кристаллы, даже если расплав охлаждать медленно. Теперь уже удавалось сделать куски сплава толщиной до дюйма - более 2,5см.

Потом учёные пошли к практикам - стали работать в литейных цехах компании "Howmet Metal Mold" и вместе с металлургами добились таких технологий, которые лучше всего подходят именно для аморфных сплавов.

Что же мы имеем сегодня?

Как говорит Джонсон, из аморфного сплава можно делать отливки с точностью до 1 микрона, т.е. 1/25000 дюйма. А когда материал стали применять в клюшках для гольфа, обнаружилось ещё одно его свойство: он передаёт мячу более мощное энергетическое усилие, нежели сталь или титан, - по крайней мере, теоретически. Появилась заманчивая (и финансово выгодная) идея создать клюшки собственной марки, и они уж точно составили бы конкуренцию тем, которые уже зарекомендовали себя на рынке.

Однако в компании "Liquidmetal Technologies" подумали-подумали и решили уйти от прямого участия в рынке снаряжения для гольфа, а вместо этого заняться другими областями бизнеса, вовсе не обязательно потребительскими товарами. Впрочем, с теми, кто выпускает клюшки для гольфа, сотрудничество продолжается - вместе ищут наилучший сплав.

А в мае 2002г поступило интересное предложение с одного завода в Корее. Там из "жидкого металла" будут выпускать, помимо прочих вещей, корпуса для сотовых телефонов.

Джон Канг, исполнительный директор "Liquidmetal Technologies", пояснил журналистам, почему такой сплав идеально подходит для телефонов. "Производители сотовых телефонов хотят видеть своё изделие миниатюрным и тоненьким, а наш металл обеспечивает как раз эти возможности в большей мере, нежели любой другой", - говорит он.

Именно по этой причине "жидкий металл" привлёк внимание таких телефонных гигантов, как "Моторола" и "Самсунг".

Над бейсбольными битами специалисты "Liquidmetal Technologies" работают совместно с компанией "Rawlings", а над лыжами - с "HEAD".

Вкладывают свои денежки в "Liquidmetal Technologies" и оборонщики. Агентство, которое занимается оборонными проектами по передовым технологиям, нашло чудо-металлу несколько областей применения. Одна из них - снаряды, пробивающие броню. В них можно заменить аморфным сплавом обеднённый уран, тем более что по поводу урана слышится немало нареканий со стороны природоохранных организаций и работников здравоохранения.

Создатели нового металла считают, что его потенциальные возможности колоссальны и в большой мере пока ещё не изучены. Зато изучены некоторые "но".

Одним из существенных недостатков продукта остаётся его уязвимость по отношению к высоким температурам. Почти как и стекло, аморфный сплав становится мягким при сильном нагреве до температур порядка 750 градусов по шкале Фаренгейта. Для сравнения, сталь становится ковкой при температуре порядка 2100 градусов Фаренгейта. Некоторые новые аморфные сплавы обладают, однако, более высокой устойчивостью к нагреву, и их поиск продолжается.

Лимитирует применение аморфного сплава и его стоимость.

Сырьё для создания сплавов в основном идёт по 10-15 долларов за фунт (453 грамма), что близко к стоимости титана, тогда как алюминий стоит всего 50 центов за фунт. Исследователи в "Caltech" пытаются изобретать прочные сплавы из более дешёвых металлов: "Если нам удастся создать поддающиеся обработке аморфные сплавы из сырья по стоимости доллар за фунт, то они станут весьма распространённым материалом, - говорит Джонсон. - Не исключено, что такой материал пробился бы и в автомобильную промышленность".

И, видимо, пробьётся-таки. Только знаете, что обидно? Что, скорее всего, это будет не у нас. Почему? Может, именно потому, что дорого. А ведь ещё с начала 80-х годов наши российские учёные И.В Золотухин, Ю.В. Бармин, Ю.Е. Калинин, М.Г. Землянов, С.Н. Ишмаев, И.П. Садиков, Г.Ф. Сырых и другие опубликовали интереснейшие исследования на тему аморфных металлических материалов, в том числе, - и о возможностях их практического применения. Например, в качестве диффузионных барьеров на границе металл-полупроводник - для миниатюризации электронных устройств; для изготовления магнитных головок и датчиков; для создания малогабаритных трансформаторов и высокочувствительных сенсорных устройств, которые могут работать в самых сложных условиях благодаря высоким характеристикам упругости, изотропности, электромагнитных и других свойств. С 1991г стала известной российская торговая марка "Гаммамет" - марка научно-производственного объединения в Екатеринбурге, которое наладило выпуск магнитомягких сплавов и лент с аморфной и нанокристаллической структурой, а также магнитопроводов, трансформаторов, реакторов, помехоподавляющих автомобильных фильтров и прочих технических изделий с применением этих сплавов. Ещё пять лет назад И.В. Золотухин писал, например, что имеется возможность создания на основе аморфных металлических сплавов принципиально новой запоминающей среды со сверхвысокой информационной плотностью (сплавы со свойствами спинового стекла).

В 2000г наши уже получили ленту из таких сплавов, подавая расплав через дозирующее сопло на вращающийся диск-холодильник. Получили и микропровод из аморфных сплавов. Было разработано и соответствующее технологическое оборудование. Даже организовали промышленное производство сплавов этого класса и изделий из них. Например, методом литья непосредственно из жидкой фазы при сверхскоростной закалке расплава (до 1 млноС/с) стали изготавливать литые микропровода в термостойкой эластичной стеклянной изоляции для производства особо точных и чувствительных датчиков температуры, скорости потока, давления и состава биологических сред и объектов; наладили производство прецизионных элементов электронной техники и медицинского приборостроения; электромагнитных экранов и радиопоглощающих композитов; фильтров для защиты банковских документов, банкнот и ценных бумаг от подделок. Весной 2002г вышла из печати книга Ю.Н. Стародубцева и В.Я. Белозерова "Магнитные свойства аморфных и нанокристаллических сплавов" - около 400 страниц. То есть всё, казалось бы, у нас делается правильно и вполне успешно.

Так почему, спрашивается, в июле 2002г о своём лидерстве в этой сфере объявили всё-таки американцы? Почему именно они нашли такое сочетание компонентов, которое обеспечило аморфным сплавам поистине радужные перспективы? Или мы опять о своих чего-то не знаем?..

Владимир Грищенков

На грани невозможного 22,2002