Продвинутая синтез и многосторонняя характеристика пен из сплава Al‑Mg, усиленных введением TiH2 с использованием фрикционной обработки перемешиванием

Почему более легкие металлы важны

От самолетов и электромобилей до ноутбуков и защитного снаряжения — многие современные технологии выиграют от материалов, которые одновременно легче и прочнее. Одним из перспективных классов являются металлические пены — твердые материалы, наполненные мелкими порами, наподобие металлического швейцарского сыра. В этой работе рассматривается новый способ получения прочной и легкой алюминиевой пены с использованием распространенного инженерного сплава и тщательно контролируемого процесса в твердой фазе, что открывает новые возможности для более безопасных транспортных средств, более эффективных систем охлаждения и конструкций, лучше поглощающих удары при значительно меньшем весе.

Преобразование цельного металла в пену

Исследователи сосредоточились на широко используемом сплаве Al‑5052, известном своей малой плотностью, хорошей коррозионной стойкостью и приличной прочностью. Вместо вспенивания расплавленного металла они начали с цельной алюминиевой пластины и применили метод, называемый фрикционной обработкой перемешиванием. Вращающийся инструмент прижимают и перемещают вдоль пластины, перемешивая паз, заполненный тонким порошком гидрида титана (TiH2). Сделав четыре прохода инструментом, им удалось равномерно распределить эти частицы по полосе в пластине. Позже, при нагреве подготовленного материала, TiH2 разлагается с выделением газа внутри размягченного металла, «набухая» его изнутри и формируя пену.

Заглядывая внутрь нового материала

Чтобы подтвердить эффективность процесса, команда использовала несколько методов визуализации и анализа. Оптическая и электронная микроскопия показали, что частицы, содержащие титан, распределены равномерно с минимальной склонностью к агломерации. Интенсивное перемешивание раздробило исходные крупные зерна алюминия на значительно более мелкие, что обычно повышает прочность металла. Рентгеновская дифракция показала, что кристаллическая структура алюминия сохранилась и что присутствуют титансодержащие фазы, что доказывает успешное внедрение и удержание вспенивающего агента в сплаве перед нагревом.

Прочнее, тверже, но всё ещё работоспособно

До превращения материала в пену исследователи оценили, как фрикционная обработка перемешиванием повлияла на механические свойства. Обработанная зона алюминия продемонстрировала повышение предела прочности на разрыв с примерно 263 мегапаскалей до почти 319 мегапаскалей — примерно на 21%. Твердость также возросла примерно на 21%. Это упрочнение сопровождалось умеренным снижением пластичности — распространенный компромисс, когда мелкие твердые частицы и тонкое зерно препятствуют движению дефектов в металле. На практике обработанная полоса сплава превратилась в более жесткую и твердую «корку», лучше несущую нагрузки и сопротивляющуюся вдавливанию, что полезно как для исходного материала, так и для клеточных стенок будущей пены.

Формирование пены и её пор

Подготовленные образцы затем нагревали в печи при двух режимах: при 725 °C в течение 12 минут и при 750 °C в течение 8 минут. В обоих случаях TiH2 разлагался с выделением водорода, который, задерживаясь в размягченном алюминии, формировал округлые поры по всему объему. Микроскопия показала относительно однородную сеть пор. При 725 °C средний размер пор составлял около 256 микрометров; при 750 °C он был немного меньше — примерно 219 микрометров, что указывает на то, что точный выбор температуры и времени позволяет настроить внешний вид и характеристики пены. Химическое картирование показало, что большая часть TiH2 разложилась, оставив титан и титан-алюминиевые соединения в стенках ячеек, а также оксидные фазы, которые помогают стабилизировать пену в процессе расширения.

Легкие блоки с большим потенциалом

Измерив массу и объем вспененных образцов, команда определила плотность примерно 1266 килограммов на кубический метр — менее половины плотности цельного Al‑5052 — и пористость около 53%. Это ставит эти пены в оптимальную область для инженерного применения, где требуется баланс между малым весом, прочностью и поглощением энергии. Работа демонстрирует, что фрикционная обработка перемешиванием может надежно внедрять вспенивающий агент и создавать высококачественную алюминиевую пену с контролируемым размером и распределением пор без расплавления всего металла. Для неспециалистов основной вывод таков: теперь имеется более чистый и управляемый путь к созданию прочных, легких металлических «губок», которые в будущем могут помочь строить более безопасные автомобили, более эффективные самолеты и улучшенные системы теплового управления.

Цитирование: Rathee, S., Nabi, S., Srivastava, M. et al. Advanced synthesis and multifaceted characterization of Al-Mg alloy foams reinforced with TiH₂ incorporation through friction stir processing. Sci Rep 16, 11568 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38973-y

Ключевые слова: алюминиевая пена, легкие материалы, фрикционная обработка перемешиванием, гидрид титана, аэрокосмические конструкции