Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Магнитострикционный сплав железо-галлий имеет перспективу широкого применения в электротехнической промышленности в качестве материала для производства различных устройств, в том числе, работающих в условиях повышенных температур, деформационных воздействий и высокочастотного перемагничивания. Это обусловлено уникальным набором его функциональных характеристик, а именно большой тетрагональной магнитострикцией в малых намагничивающих полях, слабого гистерезиса, высокой температурой Кюри и слабой зависимостью свойств от температуры. Недостатком двойного сплава является его высокая хрупкость. В последние годы было показано, что легирование бинарного сплава небольшим количеством редкоземельных элементов позволяет существенно повысить его магнитострикцию и улучшить механические свойства. Для получения высоких магнитных свойств большое значение имеет наличие в сплаве определенной кристаллографической текстуры. Чаще всего, такие сплавы используются в форме тонких листов, отдалённых друг от друга слоем изоляции. Поэтому необходимо разработать режим изготовления листов с требуемой текстурой. Исследования, направленные на решение данной проблемы, частично, уже были реализованы для бинарного сплава Fe-Ga, однако по отношению к сплавам с добавками РЗМ такие исследования до сих пор отсутствовали. В ходе реализации первого года проекта был получен ряд новых результатов, которые позволяют приблизится к разработке оптимальных режимов изготовления листов из сплава FeGa с малыми добавками Ce и Tb c повышенным уровнем функциональных характеристик. В ходе выполнения проекта выплавлены 3 слитка трех запланированных составов: Fe80Ga20, (Fe80Ga20)99.8Tb0.2 и (Fe80Ga20)99.8Ce0.2. Исследован химический состав и распределение элементов по объему слитков. Установлено, что химический состав соответствует заданному, а химические элементы равномерно распределены по объему слитка. Исходная структура и кристаллографическая текстура изучались с помощью сканирующего электронного микроскопа и метода дифракции обратно отраженных электронов (EBSD). Обнаружено, что малые добавки РЗМ приводят к изменению зёренной структуры при этом не меняя кристаллографическую текстуру. Во всех слитках в исходном состоянии наблюдается многокомпонентная текстура без преобладания каких-либо ориентировок. Изменение зёренной структуры связаны с выделениями обогащённой РЗМ фазы. В сплаве с добавками Ce это гексагональная фаза GaCe2, а в сплаве с добавками Tb – предположительно фаза типа 2:17 Tb2(Fe,Ga)17. Эти включения были исследованы EBSD методом при высоком разрешении и показано, что их размер составляет порядка нескольких микрометров. Проведено комплексное исследование механических свойств разными методами и в разном состоянии образцов. Испытания на разрыв реализованы при комнатной температуре на литых и горячекатаных образцах из всех исследуемых сплавов. Измерена микротвердость. Показано, что пластичность тройных сплавов существенно выше чем у бинарного сплава Fe-Ga. Значение удлинения до разрушения увеличивается более чем в 5 раз и составляет порядка 3-4 % (в зависимости от состояния) для сплавов с Ce и Tb, тогда как в бинарном сплаве эта величина не превышает 1 %. Кроме того, наблюдается существенный рост предела прочности, вплоть до двукратного. Фрактографические исследования показали, смену типа излома с хрупкого на хрупко-вязкий. Всё это позволяет повысить деформируемость сплава и избежать его разрушения при изготовлении тонких листов. Это позволяет ожидать, что легирование решает одну из основных проблем бинарного сплава Fe-Ga – крайне низкую пластичность, которая затрудняет холодную прокатку. Полный цикл термомеханической обработки помимо холодной прокатки включает в себя деформацию при повышенных температурах – ковку и горячую прокатку. Здесь важно подобрать оптимальную температуру, которая одновременно позволит избежать разрушения при больших степенях деформации (до 90 %) и получить однородную структуру и текстуру. Для этого впервые реализовано исследование деформационного поведения таких сплавов при повышенных температурах, вплоть до 1000 °C с помощью экспериментального комплекса Gleeble 3800. Целью таких исследований являлось получение информации, необходимой для разработки режимов горячей деформации слитков. Использованы три температуры: 700, 850 и 1000 °C. В ходе эксперимента происходит запись текущих напряжений, деформации и температуры образца. Таким образом проведен комплексный анализ всех трёх сплавов, который позволил получить новую научную информацию. Кроме того, для того чтобы оценить влияние фазовых превращений на деформационное поведение сплавов при повышенных температурах были исследованы температурные зависимости намагниченности и проведен DSC анализ. Установлено, что добавка РЗМ не приводит к каким-либо фазовым превращениям, не характерным для бинарного сплава Fe-Ga, вплоть до температуры 1000 °C. Помимо механических были также исследованы магнитные свойства сплавов. Показано, что легирование практически не меняет намагниченность насыщения исследуемых сплавов, однако заметно повышает коэрцитивную силу из-за пининг эффекта частиц второй фазы. Это увеличит потери при перемагничивании через рост гистерезисной составляющей. Поэтому в дальнейшем запланирован анализ поведения включений при термомеханической обработке с анализом коэрцитивной силы с целью поиска возможностей влияния на размер и распределение частиц второй фазы и, как следствие, на коэрцитивную силу. Анализ магнитострикции показал, что добавление Ce и Tb в количестве не превышающем 0.3 % в бинарный сплав Fe-Ga повышает значение его магнитострикции в поликристаллическом состоянии на 60-70 %. Дополнительно в работе были исследованы особенности формирования текстуры при первичной рекристаллизации двухфазного сплава на основе Fe-Ga с варьированием режимов отжига. Эта информация будет использована в дальнейшем при разработке режимов отжига сплавов с добавками РЗМ. С точки зрения изготовления образцов за первый год выполнения проекта выполнены все планируемые задачи. Выплавлены слитки трёх составов, реализована их ковка, горячая и частично холодная прокатки. Таким образом создан как научный, так и практический задел для продолжения проекта и его успешной реализации.