Томские физики создали сплав, который выдерживает 100 тысяч циклов деформации

Ученые Сибирского физико-технического института Томского государственного университета (СФТИ ТГУ) работают над созданием функциональных материалов на основе многокомпонентных сплавов Гейслера. Это соединения нескольких металлов (интерметаллиды), которые при высоких температурах демонстрируют память формы и сверхэластичность. В автомобильной, аэрокосмической, производственной и энергетической промышленности сплавы Гейслера – «конкуренты» популярного в использовании никелида титана (TiNi).

Преимущества сплавов Гейслера в том, что у них выше, чем у TiNi, циклическая стабильность и степень возврата заданной деформации при высоких температурах — от 100 градусов Цельсия. Лаборатория физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ усовершенствовала сплавы Гейслера за счет добавления четвертого элемента — железа либо кобальта. Подобранная концентрация элементов повысила прочностные характеристики и рабочие температуры новых материалов.

Сплавы с памятью формы (СПФ) с высокими температурами мартенситного превращения могут упростить и повысить эффективность работы многих механических устройств, предназначенных для работы при температурах выше 100 градусов Цельсия. Они могут заменить собой часть конструкции, являясь одновременно считывающим и исполнительным устройством. Насыщение конструкции дополнительными механизмами приводит к нежелательному увеличению ее веса и объема, увеличению риска возникновения неисправностей, а также к повышению энергозатрат. Поэтому с развитием наук о новых материалах и металловедения в качестве решения стали использоваться «умные» материалы, способные давать отклик на изменение условий окружающей среды.

Основные успехи в этой области получены на сплавах на основе TiNi. Однако у никелида титана есть ряд минусов. Это слабая циклическая стабильность, невысокая степень возврата заданной деформации, низкие температуры и пр. В связи с этим постоянно разрабатывается ряд новых высокотемпературных сплавов с памятью формы.

Одним из наиболее значительных конкурентов TiNi являются сплавы Гейслера с памятью формы. Это химические соединения двух или нескольких металлов (интерметаллиды) с химической формулой X₂YZ, где X и Y – элементы переходной группы, а Z – элементы основной группы.

Среди сплавов Гейслера наиболее популярными, изученными и перспективными являются сплавы Ni₂MnGa и Ni/span>₂FeGa. В СФТИ ТГУ их разработкой занимается коллектив лаборатории физики высокопрочных кристаллов (заведующий лаборатории – профессор Юрий Чумляков) под руководством старшего научного сотрудника, кандидата физико-математических наук  Екатерины Тимофеевой. Работы ведутся в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом.

Лаборатория физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ – одна из немногих в мире, где занимаются ростом и исследованием монокристаллов. Сплавы Гейслера практически невозможно исследовать в поликристаллическом состоянии ввиду высокой хрупкости. Поэтому получение больших и высококачественных монокристаллов дает ученым существенное преимущество и открывает новые возможности по контролю микроструктуры и свойств.

В ходе работы над проектом лаборатория физики высокопрочных кристаллов СФТИ усовершенствовала сплавы Гейслера за счет добавления четвертого элемента (Ni₂MnGa-Fe и Ni/span>₂FeGa-Со). Кроме легирования железом и кобальтом, в сплавах также изменили концентрацию выбранных элементов. Параметры внутренней микроструктуры сплавов исследователи контролируют посредством термических обработок – это еще один эффективный способ улучшения свойств.

Отличительной чертой проекта сотрудников СФТИ ТГУ является создание уникальной возможности за счет изменения химического состава – в монокристаллах Ni/span>₂FeGa-Со были обнаружены частицы омега-фазы. Появление/исчезновение этой кристаллической фазы контролируется за счет термической обработки. При этом омега-фаза характерна для сплавов на основе Ti, Nb, Zr, а в сплавах Гейслера ее частицы ранее практически не наблюдались. В некоторых случаях выделение омега-фазы может быть полезным, в то время как в других ее образование значительно ухудшает свойства сплава.

В монокристаллах Ni/span>₂FeGa-Со омега-фаза играет ключевую роль в определении прочностных характеристик и рабочих температур.

– Нам удалось получить уникальные состояния сплава, в которых омега-фаза способствует значительному улучшению его характеристик. Такие результаты были достигнуты за счет вариации концентрации элементов, т.е. изменения химического состава, а также за счет термических обработок. Например, получены высокие рабочие температуры – большие обратимые деформации сплава наблюдаются в широком интервале температур от 100 до 300 градусов Цельсия. Кроме того, сплавы способны испытывать 100 тысяч рабочих циклов «нагрузка/разгрузка» без существенной деградации и разрушения, – рассказывает руководитель проекта Екатерина Тимофеева.

Данная разработка представлена на одной из крупнейших профильных конференций – VI международной конференции «Сплавы с памятью формы» (Москва).

Результаты исследований в рамках проекта «Разработка функциональных материалов с высокотемпературными эффектами памяти формы и сверхэластичности на основе многокомпонентных сплавов Гейслера» опубликованы, в том числе, в высокорейтинговых журналах (квартиль Q1) – Metals издательства MDPI и Materials Letters издательского дома Elsevier. Оба издания входят в базу данных Scopus.

ТГУ

79 статей

Национальный исследовательский Томский государственный университет (ТГУ) — первый российский университет на территории Русской Азии (фактически первый российский университет восточнее берегов Волги), один из 29 национальных исследовательских университетов.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram