Новые высокоэнтропийные объемно-аморфные сплавы AlCuNiCoZr: разработка, строение, свойства

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 проекта 23-22-00029

НазваниеНовые высокоэнтропийные объемно-аморфные сплавы AlCuNiCoZr: разработка, строение, свойства

Руководитель Русанов Борис Андреевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уральский государственный педагогический университет" , Свердловская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-208 - Металлы. Сплавы. Неупорядоченные структуры

Ключевые слова свойства, расплавы, объемно-аморфные сплавы, высокоэнтропийные сплавы, плотность, электрическое сопротивление, магнитная восприимчивость

Код ГРНТИ29.17.27; 29.19.04; 29.19.09

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) представляют собой объекты, обладающие повышенными значениями механических свойств и стеклообразующей способности, которые активно исследуются последние годы и привлекают внимание большого числа исследователей. Особое место среди высокоэнтропийных сплавов занимают составы, имеющие низкую плотность и высокую коррозионную стойкость, которые начинают применяться в авиа- и судостроении. Вышеуказанные характеристики во многом обусловлены структурой жидкого металла перед закалкой и условиями кристаллизации. Данный проект направлен на комплексное изучение физико-химических свойств высокоэнтропийных сплавов системы AlCuNiCoZr в кристаллическом и жидком состояниях, а также на формирование экспериментальных основ разработки на их основе объемно-аморфных сплавов, обладающих высокой коррозионной стойкостью. При выполнении проекта будут изучены: 1. Температурные зависимости теплофизических свойств (плотности, электрического сопротивления, магнитной восприимчивости) сплавов системы AlCuNiCoZr (эквиатомного состава и других, не менее 4 композиций) в кристаллическом и жидком состояниях. Указанная система, выбранная для исследований, может рассматриваться как перспективный состав ВЭС, обладающий малым удельным весом и повышенными служебными свойствами. 2. Коррозионные свойства сплавов системы AlCuNiCoZr с целью определения составов, имеющих наибольшие перспективы промышленного применения. 3. Характеристические температуры (солидус, ликвидус) и тепловые эффекты при плавлении/кристаллизации ВЭС AlCuNiCoZr. По результатам реализации проекта будут определены составы сплавов AlCuNiCoZr и режимы их температурно-временной подготовки для получения объемно-аморфных сплавов, обладающих высокой коррозионной стойкостью.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Русанов Б.А., Петрова С.А., Быков В.А., Букреева Ю.К., Стерхов Е.В., Сидоров В.Е., Русанова А.И., Сон Л.Д. Experimental investigation of density, electrical resistivity and DSC of AlNiCoCuZr equiatomic alloy Intermetallics, V. 161, October 2023, 107975 (год публикации - 2023)
10.1016/j.intermet.2023.107975

2. Русанов Б.А., Букреева Ю.К., Сабирзянов А.А., Карфидов Э.А., Русанова А.И., Сидоров В.Е., Сон Л.Д. Теплофизические свойства высокоэнтропийных сплавов Al-Ni-Co-Cu-Zr Сборник тезисов XVI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (РКТС-16), Сборник тезисов XVI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (РКТС-16): М. - 2023. с.56-57 (год публикации - 2023)

3. Русанов Б.А., Сабирзянов А.А., Букреева Ю.К., Перевышин В.А., Русанова А.И., Сидоров В.Е. Density, electrical resistivity and magnetic susceptibility of AlNiCoCuZr high-entropy alloys in solid and liquid states Abstracts of the V International Conference and School "Advanced High Entropy Materials", Abstracts of the V International Conference and School "Advanced High Entropy Materials", p.127 (год публикации - 2023)

4. Букреева Ю.К., Сабирзянов А.А., Перевышин В.А., Русанов Б.А., Русанова А.И., Сидоров В.Е. Электрическое сопротивление и магнитная восприимчивость высокоэнтропийного сплава AlNiCoCuZr Тезисы докладов XXIII Всероссийской школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-23), Тезисы докладов XXIII Всероссийской школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-23), с.170 (год публикации - 2023)

5. Карфидов Э.А., Никитина Е.В., Русанов Б.А. Коррозионное поведение высокоэнтропийного сплава AlNiCoCuZr эквиатомного состава в растворе NaCl Журнал "Расплавы" (год публикации - 2024)

6. Русанов Б.А., Стерхов Е.В., Быков В.А., Русанова А.И. Влияние быстрой закалки на фазообразование высокоэнтропийного сплава Zr-Al-Ni-Co-Cu Письма в журнал технической физики (год публикации - 2025)

7. Русанов Б.А., Сидоров В.Е., Петрова С.А., Перевышин В.А., Русанова А.И., Сабирзянов А.А., Шуняев К.Ю. Electrical resistivity and magnetic susceptibility of Al-Ni-Co-Cu-Zr high-entropy alloys in solid and liquid states Journal of Alloys and Compounds, 1008, 176792 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jallcom.2024.176792

8. Русанов Б.А., Сидоров В.Е., Сон Л.Д., Карфидов Э.А., Русанова А.И., Сабирзянов А.А., Букреева Ю.К., Перевышин В.А., Ладьянов В.И. Исследование физико-химических свойств высокоэнтропийных сплавов Al-Ni-Co-Cu-Zr в кристаллическом и жидком состояниях Сборник тезисов ХХII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, ХХII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Сборник тезисов докладов в 7 томах. Том 6. — М.: ООО «Адмирал Принт», 2024. – 364 c. (год публикации - 2024)

9. Карфидов Э.А., Никитина Е.В., Русанов Б.А. The effect of Al and Zr content on corrosion of AlNiCoCuZr high-entropy alloys in a 5 wt% NaCl solution Journal of Alloys and Compounds, 1007, 176423 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jallcom.2024.176423

10. Русанов Б.А., Петрова С.А., Стерхов Е.В., Русанова А.И., Быков В.А., Сидоров В.Е. Effect of phase composition on density and structure of Al–Ni–Co–Cu–Zr high-entropy alloys in solid and liquid states Intermetallics, 169, 108292 (год публикации - 2024)
10.1016/j.intermet.2024.108292

11. Русанов Б.А., Сидоров В.Е., Букреева Ю.К., Перевышин В.А., Сабирзянов А.А., Русанова А.И. DSC, density, electrical resistivity and magnetic susceptibility of Al-Ni-Co-Cu-Zr high-entropy alloys in solid and liquid states Book of abstracts XXIV International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia, Book of abstracts XXIV International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia (RCCT-2024), P.54 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
За отчётный период методом электродуговой плавки в защитной атмосфере аргона получены образцы высокоэнтропийных сплавов AlNiCoCuZr с различным соотношением компонентов (Al20Ni5Co15Cu20Zr40, Al35Ni10Co15Cu35Zr5, Al30Ni15Co15Cu35Zr5, Al20Ni10Co30Cu30Zr10). Полученные слитки использовались для получения быстрозакалённых образцов в виде цилиндрических стержней диаметром 3 мм и длиной около 50 мм. По результатам экспериментов по дифракции рентгеновских лучей, сканирующей электронной микроскопии установлено, что основу сплавов составляют твердые растворы и интерметаллические соединения, концентрация которых изменяется в зависимости от соотношения исходных компонентов. Показано, что быстрая закалка сплава Zr40Al20Ni5Co15Cu20 приводит к существенному изменению его структуры, основу составляют фаза Лавеса ZrCoAl, твердый раствор Cu0.6ZrCo0.4, а также фаза ZrNiAl. Методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) экспериментально определены характеристические температуры (солидус, ликвидус) сплавов AlNiCoCuZr. Проведено комплексное изучение свойств – плотности, электрического сопротивления, магнитной восприимчивости сплавов AlNiCoCuZr. Плотность сплавов изучена с использованием метода проникающего гамма-излучения. Показано, что в твердом состоянии полученные сплавы характеризуются практически линейным уменьшением плотности, процесс плавления связан с резким относительным изменением плотности. В жидком состоянии температурные зависимости плотности сплавов AlNiCoCuZr могут быть описаны линейными функциями. На основе экспериментальных данных рассчитан коэффициент теплового расширения сплавов, а также проведено сравнение их молярного объёма с данными аддитивного расчёта. Электрическое сопротивление образцов исследовано бесконтактным методом во вращающемся магнитном поле. Установлено, что при нагреве в твердом состоянии температурные зависимости электрического сопротивления имеют сложный вид (включая участки уменьшения свойства). При этом в жидком состоянии политермы могут быть описаны линейными функциями. Магнитная восприимчивость изучена с помощью автоматизированной экспериментальной установки, реализующей метод Фарадея. По результатам экспериментов показано, что в температурном интервале T = 600 - 1200 K магнитная восприимчивость сплавов аномально возрастает, была сформулирована гипотеза о том, что величина обнаруженной аномалии зависит от концентрации кобальта в составе сплавов. На основе дополнительных опытов по рентгеновской дифракции установлено, что обнаруженные аномалии можно объяснить процессами высокотемпературной структурной перестройки в сплавах, а именно перераспределением атомов кобальта, что подтвердило высказанную гипотезу. Из экспериментальных данных рассчитаны параметры электронной структуры сплавов в жидком состоянии - парамагнитная температура Кюри, эффективный магнитный момент и плотность электронных состояний на уровне Ферми. Коррозионные испытания полученных сплавов проведены в 5 мас. % растворе NaCl в течение 1500 часов. Значения скорости коррозии увеличиваются в следующем ряду: Al20Ni5Co15Cu20Zr40 (0,2 мг/м2ч) < Al35Ni10Co15Cu35Zr5 (0,7 мг/м2ч) < Al30Ni15Co15Cu35Zr5 (1,0 мг/м2ч) < Al20Ni10Co30Cu30Zr10 (2,0 мг/м2ч), а деградация материала происходит преимущественно в результате формирования гидроксидов никеля и кобальта, растворимость которых превышает растворимость гидроксида алюминия и гидроксида циркония. Таким образом, по итогам второго года реализации проекта проведены систематические исследования физико-химических свойств высокоэнтропийных сплавов системы AlNiCoCuZr в твердом и жидком состояниях.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные по результатам реализации проекта новые составы высокоэнтропийных сплавов AlNiCoCuZr с различным соотношением компонентов могут быть использованы в качестве перспективных функциональных материалов (в том числе в качестве покрытий), используемых при создании перспективных образцов беспилотной авиационной и морской техники. Данные о строении и свойствах сплавов AlNiCoCuZr могут быть использованы при апробации их промышленного использования, а также для оптимизации процессов получения изделий на их основе.