Разработанный в 1940-х годах, AA7075 представляет собой алюминиевый сплав, который почти такой же прочный, как сталь, но весит он всего на треть больше. К сожалению, его использование было ограничено из-за того, что его части не могли быть надежно сварены вместе. Это недавно изменилось, однако, благодаря использованию наночастиц карбида титана.
Проблема со сваркой 7075 заключается в том, что когда металл нагревается, алюминий, цинк, магний и медь, из которых он состоит, текут неравномерно. Это явление известно как фазовая сегрегация, и в результате этого по всей длине сварного шва образуются трещины.
Возглавляемая профессором Сяочуном Ли, команда из Самуэльской школы инженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе приступила к решению этой проблемы. В ходе этого процесса они изготовили тонкие стержни из 7075, пропитанные мельчайшими частицами карбида титана. Эти стержни затем помещали между большими кусками алюминиевого сплава, которые собирались соединить, действуя в качестве наполнителя. Когда стержни и прилегающий материал впоследствии плавились в процессе дуговой сварки, наночастицы устраняли проблему неравномерного потока.
«Наночастицы заставляют элементы жидкого металла затвердевать вместе более равномерно, тем самым предотвращая фазовую сегрегацию», — говорит Ли. «Фазовая сегрегация обычно блокирует поток жидкого металла во время охлаждения, вызывая тем самым усадку и трещины без заполнения жидкостью. Поскольку после добавления наночастиц металл затвердевает более равномерно, жидкий металл протекает лучше во время отверждения, таким образом, не происходит растрескивания из-за сегрегации».
Результирующие сварные соединения имеют предел прочности на разрыв до 392 мегапаскалей — напротив, обычно используемый алюминиевый сплав 6061 имеет прочность сварного шва 186 мегапаскалей. Более того, считается, что термическая обработка после сварки может повысить прочность сварных швов 7075 до 551 мегапаскалей, что соответствует прочности стали при сварке.
Хотя сплав уже используется в таких элементах, как крылья самолета и фюзеляжи, его листы обычно необходимо клепать вместе. Ученые теперь надеются, что способность сваривать его расширит его применение.
«Новая техника — это просто простой поворот, но она может позволить широко использовать этот высокопрочный алюминиевый сплав в массовых продуктах, таких как автомобили или велосипеды, где детали часто собираются вместе», — говорит Ли. «Компании могут использовать те же процессы и оборудование, которые у них уже есть, чтобы включить этот сверхпрочный алюминиевый сплав в свои производственные процессы, и их продукты могут быть более легкими и более энергоэффективными, сохраняя при этом свою прочность».
Ли и его команда уже работают с производителем велосипедов, который заинтересован в использовании этой технологии для изготовления 7075 рам.