Разработка физических основ повышения термомеханической и циклической стабильности сверхэластичности в среднеэнтропийных сплавах CoNiAl(Fe) для применения при экстремально высоких и низких температурах

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 23-79-10093

НазваниеРазработка физических основ повышения термомеханической и циклической стабильности сверхэластичности в среднеэнтропийных сплавах CoNiAl(Fe) для применения при экстремально высоких и низких температурах

Руководитель Ефтифеева Анна Сергеевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые слова Сверхэластичность, эффект памяти формы, монокристаллы, сплавы CoNiAl, термомеханическая и циклическая стабильность, среднеэнтропийные сплавы, ферроэластичность

Код ГРНТИ29.19.15, 29.19.13, 55.21.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Стратегия освоения космического и арктического пространств требует развития новых технических возможностей сплавов с памятью формы. Необходима разработка новых материалов, способных выдерживать длительную эксплуатацию в условиях экстремальных температур – от арктических (123 К<Т<233 К) до высоких (373 К<Т<773 К). Фундаментальной научной проблемой, на решение которой направлен проект, является развитие концепций повышения термомеханической и циклической стабильности функциональных свойств сплавов с памятью формы при эксплуатации в условиях экстремально низких и высоких температур. Конкретная задача заключается в разработке новых ферромагнитных (B2+γ)-сплавов Гейслера CoNiAl(Fe) с уникальными функциональными свойствами и способов повышения их термомеханической и циклической стабильности в широком интервале температур. Эта задача является комплексной, требующей исследований влияния химического состава, границ зерен, γ-фазы, микроструктуры, выдержки в аустените/мартенсите на закономерности развития мартенситных превращений и сверхэластичность. Научная новизна решения указанной выше научной проблемы в настоящем проекте заключается в разработке новых четырехкомпонентных среднеэнтропийных монокристаллов CoNiAlFe. Легирование 2 ат. % Fe позволит повысить конфигурационную энтропию, уменьшить диффузные процессы при повышенных температурах, улучшить пластичность, прочность, износостойкость, термомеханическую и циклическую стабильность сверхэластичности. Термомеханической и циклической стабильности монокристаллов CoNiAl(Fe) будет уделено наибольшее внимание в проекте. Будут применены многоэтапные схемы исследования стабильности сверхэластичности и эффекта памяти формы, включающие циклические испытания нагрузка/разгрузка в широком интервале температур. Впервые планируется применить различные режимы выдержек в аустенитном и мартенситном состояниях для сплавов CoNiAl(Fe), описать закономерности термомеханической и циклической деградации сверхэластичности в зависимости от комплексного влияния ряда параметров (температура и напряжения испытания, циклическое воздействие нагрузки, микроструктура, наличие частиц вторичных фаз, химический состав, наличие границ зерен и т.д.). Впервые будет выяснена возможность создания поликристаллов сплавов CoNiAl(Fe) за счет модификации зеренной структуры и вариации количества γ-фазы. Впервые будет установлено влияние зеренной структуры и распределения γ-фазы на закономерности развития мартенситных превращений. Впервые будут исследованы методы получения широкого температурного интервала сверхэластичности в поликристаллах CoNiAl(Fe). Способы повышения термомеханической и циклической стабильности сверхэластичности, установленные для монокристаллов, будут впервые применены к поликристаллам CoNiAl(Fe). Предлагаемые исследования имеют большую практическую значимость, которая заключается в получении экономически доступного и легкого в изготовлении материала, обладающего высокой термомеханической и циклической стабильностью функциональных свойств в широком диапазоне температур. Научная значимость решения проблемы заключается в создании новых и усовершенствовании известных микроструктурных механизмов, способных описать и предсказать термомеханическую и циклическую стабильность функциональных свойств в ферромагнитных сплавах Гейслера с памятью формы (CoNiAl, NiFeGa(Co), NiMnGa, CoNiGa). С точки зрения практического применения, полученные в рамках проекта научные результаты, позволят усовершенствовать актюаторы, сенсоры и датчики, демпфирующие устройства на основе сплавов с памятью формы, используемых в экстремальных температурных режимах космоса и Арктики. А именно продлить их работу при многократных циклах срабатывания, предсказать их эффективность и работоспособность в экстремальных условиях температур, сформулировать рекомендации по эффективному повышению эксплуатационных свойств ферромагнитных сплавов Гейслера.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ефтифеева А.С., Янушоните Э.И., Фаткуллин И.Д., Курлевская И.Д., Панченко Е.Ю., Чумляков Ю.И. Влияние легирования железом на развитие B2-L10 мартенситных превращений в монокристаллах Co35Ni35Al30(Fe) Материалы V Международной конференции «Сплавы с памятью формы» (СПФ-2023), С. 51 (год публикации - 2023)

2. Ефтифеева А., Фаткуллин И., Тагильцев А., Панченко Е., Аникеев С., Чумляков Ю. Regularities of martensitic transformations in new medium-entropy single crystals of CoNiAlFe alloys Key Engineering Materials, V. 985, P. 9-15 (год публикации - 2024)
10.4028/p-Xx97MZ

3. Янушоните Э.И., Ефтифеева А.С., Жердева М.В., Панченко Е.Ю., Чумляков Ю.И. Расширение температурного интервала обратимой деформации в монокристаллах CoNiAl за счет стабилизации мартенсита Сборник тезисов LXVII Международной конференции «Актуальные вопросы прочности», С. 174-175 (год публикации - 2024)

4. Ефтифеева А., Янушоните Е., Фаткуллин И., Суриков Н., Панченко Е., Чумляков Ю. Reversible reorientation of martensite variants in stress-induced martensite aged Co35Ni35Al30 single crystals Journal of Alloys and Compounds, V. 992, number 174638 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jallcom.2024.174638

5. Ефтифеева А.С., Янушоните Э.И., Тагильцев А.И., Аникеев С.Г., Панченко Е.Ю., Чумляков Ю.И. Обратимая деформация в мартенситном состоянии в монокристаллах Co35Ni35Al30 Сборник тезисов LXVIII Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», С. 232-233 (год публикации - 2024)

6. Фаткуллин И.Д., Ефтифеева А.С., Жердева М.В. Функциональные свойства в среднеэнтропийных монокристаллах сплава Co35Ni35Al28Fe2 Сборник тезисов XXI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», Т. 1, С. 326-328 (год публикации - 2024)

7. Янушоните Э.И., Курлевская И.Д. Циклическая стабильность обратимой деформации в состаренных под нагрузкой в мартенсите монокристаллах CoNiAl Сборник тезисов XIX Российской студенческой конференции по физике твердого тела «ФТТ-2024», С. 130-131 (год публикации - 2024)

8. Фаткуллин И.Д., Жердева М.В. Влияние легирования железом на циклическую стабильность сверхэластичности в монокристаллах сплава Co35Ni35Al28Fe2 Сборник тезисов XIX Российской студенческой конференции по физике твердого тела «ФТТ-2024», С. 119-120 (год публикации - 2024)

9. Ефтифеева А., Большевич Е., Аникеев С., Янушоните Э., Панченко Е., Чумляков Ю. Study of corrosion resistance of two-phase CoNiAl(Fe) single crystals Russian Physics Journal, V. 6 (год публикации - 2025)

10. Ефтифеева А., Фаткуллин И., Тагильцев А., Курлевская И., Волочаев М., Панченко Е., Чумляков Ю. Cyclic superelasticity behavior of Co35Ni35Al28Fe2 single crystals Materials Letters, № 138728 (год публикации - 2025)
10.1016/j.matlet.2025.138728

11. Янушоните Э.И., Ефтифеева А.С., Панченко Е.Ю., Чумляков Ю.И. Большие обратимые деформации в состаренных под нагрузкой в мартенсите монокристаллах сплава CoNiAl Сборник тезисов XIII Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», памяти академика Г.В. Курдюмова, С. 126 (год публикации - 2024)
10.24412/cl-37267-FPPK-2024.124

12. Ефтифеева А.С., Янушоните Э.И., Фаткуллин И.Д., Жердева М.В., Панченко Е.Ю., Чумляков Ю.И. Функциональные свойства монокристаллов среднеэнтропийных сплавов CoNiAl, легированных железом Сборник тезисов научно-технического семинара «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов», С. 84 (год публикации - 2024)

13. Фаткуллин И.Д., Ефтифеева А.С., Аникеев С.Г. Функциональные свойства и коррозионная стойкость закаленных монокристаллов CoNiAl(Fe) Сборник научных трудов XXII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Перспективы развития фундаментальных наук", Т. 1 (год публикации - 2025)

14. Ефтифеева А.С., Фаткуллин И.Д., Панченко Е.Ю., Янушоните Э.И., Жердева М.В., Чумляков Ю.И. Orientation dependence of the two-way shape memory effect in single crystals of Co35Ni35Al28Fe2 alloy Crystallography Reports, V. 69, Suppl. 1, pp. S83–S88. (год публикации - 2024)
10.1134/S1063774525600073

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе второго этапа (2024-2025 г.) проекта впервые к монокристаллам Co35Ni35Al28Fe2 применена методика старения в мартенсите под нагрузкой и изучено влияние ориентации приложения нагрузки при данной методике на закономерности развития двустороннего эффекта памяти формы и исследована возможность наведения ферроэластичности. Проведены исследования циклической и термомеханической стабильности двустороннего эффекта памяти формы в монокристаллах Co35Ni35Al30 и Co35Ni35Al28Fe2, состаренных в мартенситном состоянии под нагрузкой. В состаренных в мартенсите под нагрузкой вдоль [001]B2||[110]L10-направления монокристаллах Co35Ni35Al28Fe2 наведен двусторонний эффект памяти формы со сжимающей деформацией -2,4 % вдоль [001]B2-направления и растягивающей деформацией +1,2 % вдоль двух направлений типа <110>B2 за счет стабилизации сдвойникованного варианта мартенсита V2/V3 ([011]B2||[100]L10, раздвойникование мартенсита подавлено εdetw→0). Двусторонний эффект памяти формы характеризуется накоплением значительной упругой энергии (интервалы развития прямого и обратного мартенситного превращения Δ1≈Δ2=57-60 К) и малой энергией рассеяния (температурный гистерезис ΔT=45 К) при развитии мартенситного превращения за счет отсутствие процессов раздвойникования и высокой подвижности межфазных границ аустенит-мартенсит при развитии мартенситного превращения. Это способствует высокой циклической стабильности двустороннего эффекта памяти формы до 100 циклов охлаждение/нагрев в температурном интервале развития мартенситного превращения и термомеханической стабильности при воздействии температур до 423 К совместно с воздействием сжимающей нагрузки до 1150 МПа. В состаренных в мартенсите под нагрузкой вдоль [110]B2||[100]L10-направления монокристаллах Co35Ni35Al28Fe2 наведен двусторонний эффект памяти формы со сжимающей деформацией εДЭПФ=-1,6 % вдоль двух направлений типа <110>B2 и растягивающей деформацией εДЭПФ=+5,5 % вдоль [001]B2-направления за счет стабилизации раздвойникованного варианта мартенсита V1 ([001]B2||[001]L10, εdetw≠0). Приложение сжимающих напряжений вдоль [001]B2-направления приводит к переориентации мартенситных вариантов (ферроэластичности) с величиной обратимой деформации до -12,3 % с высокой демпфирующей способностью 0,85 за счет широкого механического гистерезиса 100 МПа при 203 К. Тем самым за счет стабилизации раздвойникованного варианта мартенсита обратимая деформация при сжатии вдоль [001]B2-направления развивается в широком температурном интервале 345 К (от 203 К до 548 К). Двусторонний эффект памяти формы за счет стабилизации развойникованного варианта мартенсита после старения вдоль [110]B2||[100]L10-направления характеризуется большой энергией рассеяния (температурный гистерезис ΔT=79 К) и взрывным характером развития термоупругого мартенситного превращения (интервалы развития прямого и обратного мартенситного превращения Δ1≈Δ2=3-9 К). Это приводит к хрупкому разрушению монокристаллов на 7-ом термоцикле при исследовании циклической стабильности. Изучено влияние старения в аустените на закономерности развития эффекта памяти формы и сверхэластичности в монокристаллах сплавов Co35Ni35Al30 и Co35Ni35Al28Fe2. Методом просвечивающей электронной микроскопии установлено, что старение при 673 К в аустените приводит к увеличению γ'-частиц (упорядоченная L12-структура) от 3 до 20 нм, расположенных в γ-фазе (неупорядоченная ГЦК-структура). За счет снижения температур мартенситных превращений старение приводит к расширению температурного интервала проявления сверхэластичности в 1,3-1,5 раза в монокристаллах Co35Ni35Al30 и Co35Ni35Al28Fe2 по сравнению с исходным гомогенизированным состоянием. В интервале сверхэластичности механический гистерезис постоянен и увеличивается при приближении к 548 К за счет накопления дислокаций при движении межфазной границы аустенит-мартенсит при повышенной нагрузке и температуре, а обратимая деформация уменьшается за счет увеличения упругой деформации B2-фазы, модуля упругости L10-мартенсита и рассеянной энергии с ростом температуры испытания. Максимальная величина обратимой деформации при ЭПФ -2,6 % и СЭ -3,2 % в монокристаллах Co35Ni35Al28Fe2 выше, чем в Co35Ni35Al30, и уменьшается в 1,1-1,5 раза с ростом температуры старения для исследуемых кристаллов. Легирование Fe состаренных монокристаллов приводит к сдвигу температурной зависимости критических напряжений образования мартенсита под нагрузкой в сторону низких температур по сравнению с трехкомпонентными монокристаллами Co35Ni35Al30, в результате расширяется интервал развития B2-L10 мартенситного превращения под нагрузкой и сверхэластичности. В результате выполнения второго этапа проекта установлено, что старение в аустенитном и мартенситном состоянии в четырехкомпонентных среднеэнтропийных монокристаллах Co35Ni35Al28Fe2 приводит к широкому температурному интервалу обратимой деформации при сжатии вдоль [001]B2-направления 345 К, который охватывает низко- и высокотемпературную области от 203 К до 548 К. За счет старения в аустените создано высокопрочное состояние с максимальной величиной обратимой деформации -2,6 ÷ -3,2 %, в то время старение в мартенсите наводит гигантскую деформации -12,3 % (в 3,8 раз выше, чем обратимая деформация при сверхэластичности) при минимальных критических напряжениях 20-28 МПа.

Публикации