КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 19-72-20080

НазваниеНеоднородные структурные состояния в сплавах на основе железа c магнитомеханическим взаимодействием: корреляция физических и инженерных свойств

РуководительГоловин Игорь Станиславович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2025 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (31).

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-210 - Взаимодействие рентгеновского, синхротронного излучений и нейтронов с конденсированным веществом

Ключевые словаСплавы на основе железа, атомное упорядочение, структурное расслоение, неоднородные наноструктурные состояния, дифракция нейтронов

Код ГРНТИ29.19.22

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект (далее обозначается как Проект-2023) является продолжением выполнявшегося в течение 2019-22 годов проекта с тем же названием (далее – Проект-2019). Завершенный Проект-2019 оказался исключительно удачным с точки зрения решения поставленных научных задач и по выполнению формальных наукометрических параметров. Самое главное – в рамках Проекта-2019 удалось развить новый метод исследований неоднородных структурных состояний в сплавах – in situ нейтронную термодифрактометрию в реальном времени, которая в сочетании с аналогичными измерениями в режиме реального времени физических свойств дает уникальные возможности для интерпретации наблюдаемых эффектов. Безусловно, этому способствовал правильный выбор Объекта инфраструктуры – импульсного нейтронного реактора ИБР-2, действующего в ОИЯИ (Дубна). Изучение физических свойств новых магнитострикционных материалов помимо научного интереса к фундаментальным механизмам магнитомеханического взаимодействия оказывает решающее влияние на возможность создания датчиков, приводов, преобразователей, магнитомеханических устройств и демпферов с улучшенными характеристиками для их разнообразного применения в интеллектуальных производственных системах. В обоих проектах основное внимание уделено поликристаллическим ферромагнитным сплавам, принадлежащим к системам: Fe-Ga и Fe-Al, в том числе микролегированным РЗМ. Значительный интерес представляют собой сплавы четверной системы Fe-(Ga+Al)-RE. Детальное изучение фазовых превращений в тройных и четверных сплавах системы Fe-(Ga+Al)-RE в области наиболее высоких значений магнитострикции является одной из целей проекта. К этой задаче примыкает изучение эффектов пошаговой замены Ga на Al, которое позволит улучшить комплекс механических свойств сплавов и стабилизировать благоприятный фазовый состав, при допустимом уменьшении константы магнитострикции. Экспериментальная часть работ по проекту включает изучение макроскопических характеристик образцов с использованием современного набора методов и оборудования и изучение их структурных свойств на атомном уровне с использованием коротковолнового излучения, в том числе методом дифракции нейтронов и синхротронного излучения. Взаимная дополнительность экспериментальных и дифракционных методов позволит дать полное, качественное и количественное описание объектов исследования и сопутствующих физических явлений. Для Проекта-2023 план работ составлялся, а отбор задач проводился с учетом двух обстоятельств. Во-первых, необходимо было учесть и максимально использовать наиболее эффективные подходы, разработанные на стадии выполнения Проекта-2019. В первую очередь имеется в виду одновременное (параллельное) исследование структуры (методом in situ дифракции нейтронов) и различных физических свойств исследуемых сплавов в режиме реального времени при нагреве, охлаждении и изотермической обработке. Во-вторых, мы отобрали наиболее актуальные с точки зрения физики нерешенные вопросы формирования структуры и свойств сплавов в Проекте-2019 и выделили наименее исследованные области составов с целью их характеризации. Конкретные задачи в рамках этих целей обсуждены в соответствующих разделах заявки.

Ожидаемые результаты
Формирование необходимой атомной структуры и микроструктуры материала является основой формирования его требуемых свойств. Возросший интерес к магнитомягким высокострикционым сплавам на основе железа и, прежде всего, Fe-Ga требует более точной информации как об их структуре, так и о температурных интервалах и кинетике фазовых превращений, обеспечивающих формирование необходимых структур. В рамках разработанного в Проекте-2019 подхода объединения различных in situ методик в Проекте-2023 нами будут получены новые данные о: 1) метастабильной и квазиравновесной (требуются отжиги, исчисляемые тысячами часов) структуре Fe-Ga сплавов с высоким содержанием Ga (более 30 ат.%), в том числе дополнительно легированные РЗМ; 2) формировании нановыделений с тетрагональной симметрией в сплавах с 17-20% и 26-27%Ga, предположительно ответственными за их повышенные магнитострикционные характеристики (дифракция и малоугловое рассеяние нейтронов, дифракция рентгеновского и синхротронного излучений); 3) кинетике превращения между плотно упакованными фазами в сплавах системы Fe3Ga (опционально в Fe3Ge и Fe3(Ga,Ge)): ферромагнитной L12(A1) и парамагнитной D019(A3), в режимах изотермического отжига и охлаждения; 4) влиянии частичной замены атомов Ga на атомы Al в тройных Fe-Ga-Al и четверных Fe-19(Al+Ga)-Tb и Fe-26(Al+Ga)-Tb сплавах на их структуру и свойства (комплексный анализ свойств и структуры); 5) демпфирующей способности и релаксации Зинера в сплавах системы Fe-Al-Ga с целью анализа модели Смита-Биршака и распределения атомов замещения на подрешетках упорядочивающейся структуры; 6) характеристиках структурных превращений в реальном времени в ферромагнитных сплавах Гейслера и влиянии старения мартенсита на параметры сдвигового превращения. Совместный анализ материаловедческой и структурной информации позволит предсказывать новые соединения, обладающие наиболее ярко выраженными магнитными, механическими, магнитострикционными, свойствами. Все результаты будут либо соответствовать мировому уровню исследований, либо опережать его. Опыт, полученный при выполнении Проекта-2019, высокий уровень новизны и важности получаемых результатов, растущий интерес к тематике неравновесных состояний в магнитомягких функциональных сплавах обеспечит публикацию серии статей в ведущих зарубежных и отечественных журналах, в основном принадлежащих к категории Q1.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Завершена обработка экспериментальных данных по сплавам Fe81Ga19, легированному Tb (0.1 ат.%), и Fe73Ga27, полученных на источнике синхротронного изучения ESRF. Составы сплавов соответствует двум максимумам на зависимости константы магнитострикции от содержания Ga. Легирование Tb было использовано в соответствии с результатами, свидетельствующими о положительном влиянии микроколичеств Tb на магнитострикцию сплава. Основной целью экспериментов был поиск эффектов, которые могли бы подтвердить присутствие в Fe-Ga сплавах нестандартных структурных фаз, прежде всего, m-D03, которой приписывается рядом авторов основная роль в формировании высокой магнитострикции. До сих пор эта фаза достоверно наблюдалась лишь с использованием дифракции электронов. Свидетельства ее образования, полученные в рентгеновских и синхротронных малоугловых и дифракционных экспериментах, не были прямыми, поскольку не удавалось зарегистрировать сверхструктурных дифракционных пиков однозначно характеризующие эту фазу. Нами были проведены эксперименты на двух станциях ESRF, одна из которых (ID28) позволяет надежно наблюдать дифракционную картину конкретного соединения, даже если его объемная доля не превышает 10^(-4). Основной результат, полученный для сплава Fe81Ga19Tb0.1, состоит в том, что каких-либо признаков присутствия фазы m-D03 в образце найдено не было. Анализ флуктуаций фона показал, что возможная ее доля не превышает 0.2% от объема образца. Этот результат радикально отличается от опубликованных данных по дифракции электронов (метод SAED), из которых следует содержание m-D03 в образце на уровне 5% и таким образом не может объяснить эффект магнитострикции в объемных материалах. Предполагается, что причиной отмеченного выше расхождения является специфическая процедура подготовки образцов для SAED-экспериментов, стимулирующая образование этой фазы в сверхтонких слоях сплава. Основной результат, полученный для сплава Fe73.4Ga26.6, состоит в подтверждении наших результатов, свидетельствующих о присутствии в этом сплаве специфической фазы с гексагональной симметрией, рефлексы которой полностью имитируют рефлексы фазы m-D03. Однако объемная доля гексагональной фазы не превышает 0.1%, что также радикально противоречит данным SAED-экспериментов, представленных в работах некоторых групп. Завершена обработка экспериментальных данных по сплаву Fe81Ga19, легированному Tb (0.1 ат. %), полученных на импульсном источнике нейтронов CSNS (Китай) на станции малоуглового рассеяния SANS. Основной целью экспериментов является получение информации по эволюции присутствующих в этом сплаве магнитных нановыделений при разных режимах температурного воздействия. Изучались эффекты при двух типах воздействия: после предварительного отжига при разных температурах, после быстрого нагрева до 300°С и последующей релаксации. Основные результаты состоят в следующем: - Отжиг при T < 400°C приводит к появлению выделений, занимающих долю объема образца ~5%. - Характерный размер таких выделений составляет 50-130 Å при температурах отжига в диапазоне (300-400)°C. - Полученные данные соответствуют результатам нейтронных дифракционных экспериментов, в которых было определено, что возникающие преципитаты представляют собой кластеры фазы D03. Метод измерения электросопротивления продемонстрировал высокую чувствительность к исследованию фазового перехода первого рода между плотно упакованными фазами (L12 ↔ D019) в сплаве Fe-27Ga из-за того, что электросопротивление в парамагнитной фазе D019 ниже, чем в ферромагнитной фазе L12 при одних и тех же температурах. Впервые этим методом проведены исследования кинетики перехода между этими фазами при нагреве, охлаждении и изотермической выдержке в течение длительного времени. Обе плотноупакованные фазы в сплаве типа Fe3Ga сосуществуют в двухфазном интервале между 595 и 605°C. Зависимость объемной доли (f) изотермически растущей фазы (D019 или L12) от времени (t) при температурах выше или ниже двухфазной области может быть описана уравнением Аврами: f(t) = 1–exp[-(kt)n], где n - параметр Аврами, k - кинетический коэффициент с температурной зависимостью типа Арениуса. Определены времена полураспада указанных фаз при различных температурах перегрева и переохлаждения относительно двухфазной области. Переориентация под напряжением дефектов кристаллической решетки с более низкой симметрией по сравнению с симметрией кристаллической решетки, в которой данные дефекты находятся, приводит к эффекту неупругой релаксации (релаксация Зинера). Аналогичная конфигурация пар атомов Ga-Ga, наблюдавшаяся с помощью электронной микроскопии рядом авторов, интерпретируется ими как источник повышенной магнитострикции в сплавах Fe-Ga. Сравнивая полученные результаты по релаксации Зинера в двойных Fe-Ga сплавах с хорошо известной зависимостью магнитострикции от содержания Ga в сплавах, нельзя не заметить очевидной корреляции между этими зависимостями. Таким образом показано, что степень релаксации Зинера (Qm-1) хорошо коррелирует с величиной магнитострикции насыщения и позволяет судить об относительном коэффициенте магнитострикции в сплавах Fe-Ga, а также анализировать ближний порядок атомов замещения в сплавах со структурой твердого раствора. Нами впервые исследована релаксация Зинера в тройных сплавах Fe-20(Al+Ga). Влияние состава сплава и частоты измерений подытожено в виде «карты». Пик Зинера в тройных сплавах Fe-Al-Ga интерпретируется с точки зрения вклада трех типов пар атомов-замещения: Al-Al, Al-Ga и Ga-Ga. Результаты экспериментального разложения пиков на компоненты Al-Al, Al-Ga и Ga-Ga не дают аргументов в пользу теории образования предпочтительных пар и находятся в пределах их статистического распределения в твердом растворе замещения в температурном интервале зинеровской релаксации (т.е. при 450-550°С), распределение Al и Ga по атомным парам близко к случайному. Впервые был использован метод магнетронного напыления покрытия сплава Fe-19%Cr на поверхность сплава Fe-20%Ga. Изучена структура нанесенного слоя и распределение Cr и Ga. Показано, что покрытия Fe-19%Cr, нанесенные на поверхность образца Fe-20%Ga толщиной 2 мкм, повышают коррозионную стойкость образца Fe-Ga в два раза в растворе Хэнкса и, по меньшей мере, в 14 раз для раствора 3,5% NaCl. Значения магнитострикции для композитного образца незначительно снижаются (с 89 до 81 ppm). Демпфирующая способность образца покрытия снижается на 20%.

 

Публикации

1. Палачева В.В., Чеверикин В.В., Чубов Д.Г., Задорожный М.Ю., Жукова Ю.С., Шевейко А.Н., Солонин А.Н., Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Головин И.С. Effect of Fe-Cr coating on the Fe-Ga alloy functional properties Defect and Diffusion Forum, Vol. 429, pp 171-178 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.4028/p-mbK4cO

2. Чубов Д.Г., Цифре Ж., Чанг Х.В., Жен С.У., Палачева В.В., Балагуров А.М., Головин И.С. Complex mechanism of anelastic relaxation in ternary Fe-20(Al+Ga) alloys Scripta Materialia, Scripta Materialia, Volume 235, 2023, 115622 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115622

3. Щербаков А.А., Васин Р.Н., Балагуров А.М., Ховайло В.В., Головин И.С. Phase transformations and martensite stabilization in Ni2.36Mn0.64Ga high-temperature shape memory alloy Defect and Diffusion Forum, Vol. 429, pp 117-126 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.4028/p-oqvVm1