Коллектив лаборатории физики высокопрочных кристаллов ТГУ при поддержке РНФ работает над созданием высокоэнтропийных сплавов, отличающихся необычной структурой кристаллической решетки. Именно она обеспечивает новым материалам комплекс механических характеристик, которые делают их пригодными для использования в экстремальных условиях космоса и Арктики – при высоких и низких температурах, под нагрузкой и при воздействии радиации и других.
Объектом исследования физиков ТГУ являются высокоэнтропийные сплавы FeNiCoCr(+Al, TiAl и Mo). Соединения с таким химическим составом используются только в поликристалическом состоянии. Сотрудники лаборатории под началом ее заведующего Юрия Чумлякова первыми в мире смогли вырастить монокристаллы и упрочнили их наночастицами. В настоящее время физики исследуют микроструктуру, механизмы деформации и механические свойства полученных монокристаллов.
– Высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) – это новый класс соединений, дизайн которых основывается не на добавлении небольшого количества металла к одному базовому элементу (например, бронза — это медь с добавлением олова), а на смешивании многих металлов в приблизительно равных количествах, – объясняет руководитель проекта, сотрудник лаборатории физики высокопрочных кристаллов Ирина Киреева. – В случае с высокоэнтропийными сплавами атомы различных элементов располагаются произвольным образом в решетке, т.е. это неупорядоченные сплавы.
Такие сплавы состоят обычно из пяти и более компонентов. Все атомы имеют одинаковую вероятность расположения в определенном узле решетки. Наличие разнородных атомов элементов с разными размерами приводит к существенному искажению кристаллической решетки и затруднению диффузии, что, в свою очередь, обеспечивает рост прочностных свойств и их стабильность в широком температурном интервале.
Уникальная структура обеспечивает высокоэнтропийному сплаву целый комплекс важных эксплуатационных характеристик, таких как твердость, износостойкость, устойчивость к окислению и коррозии, высокая термическая стабильность по сравнению с традиционными материалами. Эти свойства позволяют найти широкое применение ВЭС в экстремальных температурных условиях ниже 120 К (-153°С) (криогенные температуры).
– В рамках проекта особое внимание будет уделено микроструктуре ВЭС сплава FeNiCoCr(+Al, TiAl и Mo), – говорит Ирина Киреева. – За счет изменения микроструктуры, а именно выделения наноразмерных частиц, планируется расширить рабочий интервал температур материала, что позволит эксплуатировать его не только в области низких температур, но и в высокотемпературном режиме – до +700°С.
Результаты исследований физиков ТГУ послужат научной основой для создания новых конструкционных и функциональных материалов на основе ВЭС, адаптированных для космоса и пригодных для изготовления конструкций в условиях Арктики. Тонкие пленки из ВЭС могут быть использованы в качестве защитных покрытий, тепловых барьеров.
Как отмечают разработчики, перспективные свойства высокоэнтропийных сплавов делают их потенциально пригодными для применения в качестве инструментов, пресс-форм, штампов, механических частей и деталей печей, которые требуют высокой прочности, термостойкости, сопротивления окислению и износу. Они также обладают превосходной коррозионной стойкостью и могут быть использованы на химических заводах, в литейных цехах и даже применяться в качестве деталей насосов, эксплуатируемых в морской воде.
Сейчас коллектив успешно завершает первый год выполнения проекта (грант РНФ № 19-19-00217) и представляет результаты исследований на международных конференциях. Так, с 1 по 5 октября руководитель проекта Ирина Киреева выступила с докладом на международной конференции «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», с 9 по 11 октября – в качестве приглашенного лектора на школе молодых ученных «Структура и свойства высокоэнтропийных сплавов и покрытий». С 21 по 25 октября молодой исполнитель проекта, магистрантка физического факультета Анна Выродова выступает в Москве на Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов.
