Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Выполнен анализ влияния концентрации каждого из компонентов сплава Co-Cr-Zr-Mn-Ni при их варьировании в диапазоне от х = 0 до х = 40 ат. % с шагом 2 ат. %. Для анализа сплавов были заданы критерии MC1-MC6, MC8, MC10, ImF1-ImF3, при одновременном удовлетворении которых, рассчитанные значения соответствовали однофазному твердому раствору. Рассмотрено влияние Mn и Zr, как элементов с наибольшим радиусом атомов, в диапазоне от 5 до 35 ат.%, на фазовый состав. Показано, что образование однофазного твердого раствора прогнозируется в сплавах при Zr ≤ 5 ат. % тремя критериями (МС1-МС3) из одиннадцати использованных для анализа. В соответствии с рассчитанным составом были выплавлены слитки следующего состава (ат.%) (далее по тексту составы 1-7): 1) 20Co-20Cr-35Zr-5Mn-20Ni; 2) 20Co-20Cr-30Zr-10Mn-20Ni; 3) 20Co-20Cr-25Zr-15Mn-20Ni; 4) 20Co-20Cr-15Zr-25Mn-20Ni; 5) 20Co-20Cr-10Zr -30Mn-20Ni; 6) 20Co-20Cr-5Zr-35Mn-20Ni; 7) 20Co-20Cr-20Zr-20Mn-20Ni. Анализ механических свойств показал, что среднее значение предела прочности сплава составляет 167,2 МПа. Рентгенофазовый анализ позволил оценить фазовый состав сформированного сплава. Основные пики, обнаруженные с помощью рентгеновской дифракции, указывают на преобладание сплава со структурой γ-Zr. В сплавах составов №2, 3, 7 с содержанием Zr ≥28,9 масс.%, образуется многофазный раствор. Результаты испытаний нанотвердости показали, что значения, полученные для богатой Zr междендритной фазы, выше по сравнению с измерениями, проведенными в дендритной области, что подтверждает влияние циркония на упрочнение высокоэнтропийных сплавов. Микротвердость измерялась в случайно выбранных местах, включая как дендритные, так и междендритные области. Наблюдается статистически значимая разница в микротвердости среди сплавов с разным содержанием Zr и Mn. Установлено, что состав №6 имеет повышенную износостойкость по сравнению с остальными. Методами СЭМ выявлена, микроструктура сплава, Co-Cr-Zr-Mn-Ni в литом состоянии при содержании Zr (8 ат.%) и Mn (33 ат.%), преимущественно состоит из крупных зерен с повышенным содержанием хрома до 46%. Более мелкие дендритные зерна находятся в сплаве состава 7, простираясь от края образца к центру. В результате электронно-микроскопического исследования сплава состава 6 можно выделить 4 фазы различного химического состава. На снимках, полученных при малых увеличениях, выявляется ярко выраженная сформировавшаяся при отливке сплава дендритная структура, состоящая из матричной фазы на основе Mn и равномерно распределенных в ее объеме дендритов длиной 100-200 мкм и толщиной около 20 мкм. Химический анализ показал, что дендриты образованы твердым раствором Cr следующего состава: 36 % Cr, 26 % Mn, 22 % Co, 15 % Ni, 1 % Zr. Матричная фаза заполняющая междендритное пространство представлена твердым раствора Mn, дополнительно легированного 23 % Ni, 18 % Co, 12 % Cr, 6 % Zr. Ширина дендритной ячейки составляет 100 мкм. По границам дендритов и матричной фазы наблюдаются более дисперсные равноосные зерна диаметром 500-2000 нм фазы на основе Zr и Ni и вытянутые выделения, обогащенные Mn толщиной до 300 нм и длиной в несколько мкм. Анализ тонкой структуры сплава выявил неоднородное распределение дефектов кристаллической решетки в объеме сплава. Основным механизмом деформации в фазе (Zr) является двойникование. На светлопольных и темнопольных изображениях наблюдаются протяженные двойники шириной от 20 до 100 нм пересекающие кристаллы фазы. Немногочисленные межзеренные границы (Zr)/(Zr) имеют специфический зигзагообразный характер. Таким образом, полученные результаты позволяют предположить, что фаза на основе Zr и Ni имеет упорядоченную кристаллическую структуру. В основной фазе, обогащенной Mn, главным деформационным механизмом является дислокационное скольжение. В объеме зерен дислокации характеризуются достаточно равномерным распределением. В областях вблизи межфазных границ дефекты данного типа образуют скопления, приводящие к возрастанию их плотности. Для каждого обменно-корреляционного функционала с помощью метода наименьших квадратов были построены линии регрессии, отражающие зависимость рассчитанных и экспериментальных данных (равновесный объем V и объемный модуль сжатия B). Рассчитанные значения равновесного объема V не чувствительны к изменению обменно-корреляционного функционала, о чем свидетельствуют одинаковые значения коэффициента Пирсона r = 0,997. По результатам тестирования функционал USPP-PBE предсказывает объемные модули для Cr, Nb и Zr в пределах ±13 % от экспериментальных значений, но переоценивает значения для Ni на 7 %, Co на 15 %, Fe на 20 % и Mn на 50% (199 ГПа против 186 ГПа для Ni, 219 ГПа против 191 ГПа для Co, 202 ГПа против 168 ГПа для Fe, 237 ГПа против 158 ГПа для Mn). Результаты расчетов с использованием функционала USPP-PBEsol увеличивают погрешность для Co на 45%, Fe на 35 %, Ni на 24 %, Mn на 61 %, Cr на 26 %, Nb на 6 % и Zr на 18 %. При использовании функционала PAW-PBE относительная погрешность увеличивается для Co на 13 %, Cr на 30 %, Fe на 16 %, Mn на 34%, Ni на 6 %, Zr на 13 % и уменьшается для Nb на 3 %. Проведенное исследование является начальным этапом для более сложных расчетов упругих свойств ВЭС систем Co-Cr-Fe-MnNi, Co-Cr-Zr-Mn-Ni и Co-Cr-Nb-Mn-Ni с помощью первопринципного метода на основе теории функционала плотности. На основе полученных результатов были выбраны следующие типы обменно-корреляционных функционалов, которые позволят получить наиболее точные результаты: USPP-PBE для Cr, Nb, Zr, и PAW-PBE для Co, Fe, Mn, Ni. По результатам проекта в 2024 г. сделаны доклады на 4х конференциях, включая 2 международные; опубликованы и приняты к публикации 7 статей; зарегистрирован 1 патент на полезную модель и 1 база данных.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках проекта выполнены исследования по поиску таких неэквиатомных композиций на основе ГЦК структуры сплава системы Co-Cr-Ni с добавлением Mn и Nb, которые сохранят низкотемпературную пластичность и обеспечат повышенную прочность при температурах выше 293 К. Были теоретически определены термодинамически стабильные композиции, а затем был рассчитан их предел текучести для идентификации перспективных составов сплавов. Был проведен расчет термодинамических параметров для 194481 композиции, содержащей Nb, Co, Cr, Mn и Ni (в диапазоне от x=2 до x=40 ат. % с шагом 2 ат. %) и выбраны композиции на основе трех независимых критериев, продемонстрировавших наибольшую точность на экспериментальной выборке. Эти композиции характеризуются высоким суммарным содержанием Ni (30-40 ат. %) и Co (32-40 ат. %), которые являются стабилизаторами ГЦК-структуры. Остальные компоненты имеют меньшую концентрацию: Cr (12-25 ат.%), Mn (2-6 ат.%), а Nb 2 ат.%. Были изготовлены пять неэквиатомных составов, обозначенных как Сплав 1–5: Nb₂Co₄₀Cr₂₆Ni₃₆Mn₂ (Сплав 1), Nb₂Co₄₀Cr₂₀Ni₃₆Mn₂ (Сплав 2), Nb₂Co₄₀Cr₂₀Ni₃₄Mn₄ (Сплав 3), Nb₂Co₄₀Cr₁₄Ni₄₀Mn₄ (Сплав 4) и Nb₂Co₄₀Cr₁₂Ni₄₀Mn₆ (Сплав 5) (все составы в ат.%), методом дуговой плавки с нерасходуемым электродом в атмосфере высокочистого Ar. Сплавы продемонстрировали сочетание высокой пластичности и прочности. Сплав Nb₂Co₄₀Cr₂₆Ni₃₀Mn₂ продемонстрировал предел прочности 641 МПа. Наилучшие показатели микротвердости (140,7 HV) и нанотвердости (2,29 ГПа) продемонстрировал сплав с составом Nb₂Co₄₀Cr₂₀Ni₃₆Mn₂. Cплав Nb₂Co₄₀Cr₂₆Ni₃₀Mn₂ показал наивысший предел прочности (641 МПа) при сохранении высокой пластичности (относительное удлинение более 90%), что является оптимальным балансом для конструкционных материалов. Анализ поверхности излома сплавов Co₄₀Cr₁₂Nb₂Mn₆Ni₄₀ и Nb₂Mn₂Ni₃₆Co₄₀Cr₂₀ показал, что разрушение носит преимущественно вязкий характер. Однако наряду с этим присутствуют признаки квазихрупкого/сдвигового разрушения. Механические свойства сплавов были количественно оценены с помощью наноиндентирования и определения износостойкости. Максимальный модуль упругости имеют Сплав 2 и Сплав 4, а Сплав 1 демонстрирует максимальную твердость (~2,7 ГПа). Повышенная износостойкость наблюдается у Сплава 2, что согласуется с его самым высоким модулем упругости и твёрдостью. Наихудшая износостойкость у Сплава 1, коррелирует с самыми низкими значениями модуля упругости и твёрдости. Проведен комплексный анализ фазового состава методами рентгеновской дифракции и сканирующей электронной микроскопии. Подтверждено формирование ГЦК-твердого раствора во всех исследуемых сплавах. Методом энергодисперсионного анализа установлены особенности распределения легирующих элементов: выявлена дендритная ликвация, при которой Nb преимущественно концентрируется в междендритных областях (содержание до 4,9–7,9 ат.%), в то время как Co, Cr и Ni распределены более равномерно. Фазовый состав литых сплавов анализировался методом РФА для подтверждения образования прогнозируемого однофазного твердого раствора. Наблюдаемое изменение параметра решетки напрямую связано с несоответствием атомных размеров, вызванным легированием твердого раствора. В частности, наименьший параметр решетки 3,568 Å в Nb₂Co₄₀Cr₁₄Ni₄₀Mn₄ (Сплав 4) согласуется с его высоким содержанием Ni, поскольку Ni является самым маленьким атомом. Напротив, наибольший параметр 3,583 Å в Nb₂Co₄₀Cr₁₂Ni₄₀Mn₆ (Сплав 5) коррелирует с его наибольшей концентрацией Mn, где замещение более крупным атомом Mn. Методами ПЭМ показано, что имеет место присутствие 2 типов частиц: центральная частицы глобулярной формы и окружающие ее частицы-прослойки. Окружающая включение матрица (сплав 1) отличается по элементному составу от среднего состава. Установлено, что данное включение имеет зеренную структуру с размерами кристаллитов (0,18-0,2) мкм и сформировано твердым раствором на основе Nb. Следует отметить, что области сплава 3 характеризуются существенно различной дефектной субструктурой. Области сплава с относительно высокой концентрацией атомов Cr и Nb характеризуются наличием микродвойников нескольких систем двойникования. Для оценки предела текучести в зависимости от температуры в выбранных композициях системы Nb-Co-Cr-Ni-Mn была применена теория твердорастворного упрочнения. Данный подход базируется на модели, где атомы различных элементов случайным образом занимают узлы кристаллической решетки. Теоретический анализ показал, что неэквиатомное легирование сплавов системы Co-Cr-Ni Nb и Mn приводит к значительному твердорастворному упрочнению. Наиболее перспективная композиция, Nb2Co40Cr12Ni40Mn6, демонстрирует расчетный предел текучести 321 МПа при 293 К. Наименьшее значение 299 МПа получено для Nb2Co40Cr26Ni30Mn2. Это в ~2,7 раза превышает экспериментальные значения для сплава Кантора (CoCrNiFeMn) и в ~1,6 раза — для базового сплава CoCrNi. Значительное упрочнение объясняется высоким энергетическим барьером для движения дислокаций. Все 31 идентифицированные композиции обладают схожим и высоким уровнем расчетной прочности, показывая эффективность предложенной стратегии дизайна: неэквиатомное легирование системы Co-Cr-Ni малым количеством Nb и Mn позволяет создавать высокопрочные однофазные материалы. Это открывает практическую возможность для снижения стоимости сплава за счет уменьшения доли более дорогого компонента без потери механических свойств. Показано, что неэквиатомное легирование Nb и Mn является эффективной стратегией для существенного повышения предела текучести сплавов на основе системы Co-Cr-Ni при сохранении термодинамической предрасположенности к формированию однофазного твердого раствора. Выход за рамки традиционного эквиатомного дизайна среднеэнтропийных и высокоэнтропийных сплавов открывает новые возможности для создания высокопрочных материалов. По результатам проекта в 2025 г. сделаны доклады на 6 конференциях, включая 5 международных; опубликованы и приняты к публикации 8 статей; отправлена для регистрации 1 база данных.