В мире материаловедения постоянно идет поиск сплавов, которые были бы одновременно легкими и очень прочными. Одно из перспективных направлений связано с элементом «европий» — о нем мало говорят за пределами лабораторий, но он способен кардинально менять свойства алюминия.
Европий стоит в таблице Менделеева среди редкоземельных металлов. По химической активности он напоминает щелочные металлы: на воздухе быстро окисляется, поэтому его хранят в инертной среде или под слоем парафина. Основная сфера применения европия сегодня связана с люминесценцией: его соединения входят в состав покрытий для экранов и лазерных материалов. Но, как показали исследования российских ученых из ВИАМ, не менее ценен он и для металлургии, в частности — для литейных алюминиевых сплавов (силуминов).
Обычный силумин — это смесь алюминия с кремнием. В необработанном виде его структура напоминает хаотичную мозаику: крупные, острые кристаллы кремния делают сплав жестким, но хрупким. Если добавить в сплав всего сотые доли процента европия, микроструктура преображается. Атомы европия вмешиваются в процесс роста кристаллов кремния, блокируя их развитие в одних направлениях и заставляя разветвляться в других. В материаловедении это объясняют двумя механизмами: «отравлением» активных точек роста и принудительным двойникованием. Простыми словами, европий не дает кремнию формировать длинные иглы — вместо этого кристаллы становятся мелкими и компактными.
Особенно ярко эффект проявляется в сплавах с высоким содержанием кремния (так называемых заэвтектических силуминах). Здесь европий не только измельчает структуру, но и способствует округлению кристаллов первичного кремния. В одном из экспериментов добавка 0,8% европия увеличила пластичность сплава на 166% — то есть материал перестал быть ломким и приобрел способность деформироваться без разрушения.
Такие улучшения важны не только для авиации или космической техники. Подобные сплавы применяются в автомобильных поршнях, корпусах насосов и других деталях, где требуется сочетание легкости и выносливости. Легирование европием позволяет алюминию конкурировать по прочности с некоторыми видами стали, оставаясь втрое легче. Например, в сплаве А356 добавка всего 0,1% европия в сочетании с термообработкой поднимает предел прочности до 265 МПа — это уже уровень конструкционной стали.
Конечно, у этого метода есть ограничения. Европий — дорогой материал, и его эффективность сильно зависит от чистоты исходного сплава. В частности, присутствие фосфора может нейтрализовать действие европия, поэтому важно соблюдать точную рецептуру. Для сплава с 16% кремния оптимальным содержанием оказалось около 0,8% Eu.
Таким образом, европий — не просто экзотический компонент люминофоров, а реальный инструмент для создания высокопрочных и пластичных алюминиевых сплавов. И вполне возможно, что в ближайшие годы детали многих устройств — от автомобильных двигателей до элементов авиаконструкций — станут надежнее менно благодаря этому элементу.
Исследование опубликовано в журнале «ТРУДЫ ВИАМ»
