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

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

1. 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. 68, P. 680-689 (год публикации - 2025)
10.1007/s11182-025-03482-4

2. 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

3. 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

4. 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)

5. 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, C. 257-259 (год публикации - 2025)

6. 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