Взаимосвязь физико-химических свойств, локальной структуры и стеклообразующей способности объемоаморфных сплавов Cu-Zr-(Al)

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 14-13-00676

НазваниеВзаимосвязь физико-химических свойств, локальной структуры и стеклообразующей способности объемоаморфных сплавов Cu-Zr-(Al)

Руководитель Шуняев Константин Юрьевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №1 - Конкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-404 - Растворы, расплавы – структура и свойства

Ключевые слова объемоаморфные сплавы, стеклообразующая способность, расплавы, вязкость, электропроводность, дифференциальная сканирующая калориметрия, дилатометрия, температуропроводность, магнитная восприимчивость, молекулярная динамика, ближний порядок, динамические корреляционные функции, химический анализ, атомно-эмиссионная спектрометрия

Код ГРНТИ31.15.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Исследование объемоаморфных металлических сплавов является одним из наиболее обширных и бурно развивающихся направлений современного материаловедения. Среди множества таких сплавов особое место занимают системы на основе Cu-Zr. Указанная система обладает уникальной стеклообразующей способностью: это одна из немногих бинарных металлических систем, для которого удается получить объемоаморфные образцы, которые, к тому же, обладают отличными механическими свойствами, коррозионной стойкостью и высокой термической стабильностью. Небольшие добавки других металлов (Al, Ni, Ti, РЗМ и др.) приводят к еще большему увеличению стеклообразующей способности и возможности получения объемоаморфных сплавов с критической толщиной, достаточной для промышленного использования. С момента получения первых объемоаморфных образцов в 2004 г., начался настоящий бум в изучении систем на основе Cu-Zr. Данная тематика стала одной из наиболее обсуждаемых на страницах самых престижных журналов по материаловедению и физике конденсированного состояния, причем интерес к ней неуклонно растет. Основной загадкой является природа стеклообразующей способности Cu-Zr, а также ее зависимость от состава системы и концентрации добавок других элементов. Экспериментально обнаружено, что области объемной аморфизации сосредоточены в очень узких (менее 1 ат. %) интервалах, однозначно не связанных с эвтектическими или другими характерными точками фазовых диаграмм. Все попытки объяснить такое поведение пока не увенчались успехом. Отметим, однако, что спектр экспериментальных и теоретических методов, обычно используемых для решения данной задачи, весьма ограничен. Так, в литературе имеется существенный пробел, связанный с почти полным отсутствием информации о ряде важнейших структурно-чувствительный свойств, таких как вязкость, электропроводность, температуропроводность, коэффициент теплого расширения и магнитная восприимчивость. В рамках проекта планируется (впервые в мировой практике) провести комплексное экспериментальное исследование указанных свойств для бинарных сплавов Cu-Zr в широком диапазоне составов, включающих в себя интервалы объемной аморфизации, а также наиболее актуальных тройных сплавов Cu50Zr50-xAlx (x = 0-7 ат. %). Полученные данные будут иметь как фундаментальное значение в связи с упомянутой проблемой объяснения аморфизующей способности, так и большую практическую значимость в контексте промышленного применения указанных сплавов. Авторы большинства теоретических работ, посвященных исследованию стеклообразующей способности систем на основе Cu-Zr, ограничиваются расчетом атомных конфигураций аморфных сплавов методом молекулярной динамики, анализом их локальной структуры методом Вороного-Делоне и последующими попытками интерпретации результатов в рамках концепции локального икосаэдрического порядка, предположительно ответственного за стеклообразующую способность. На сегодняшний день уже очевидно, что перечисленных методов недостаточно для решения данной задачи, а используемые модельные представления требуют расширения и пересмотра. В рамках проекта планируется изучение структурных и динамических свойств сплавов Cu-Zr-(Al) с применением оригинальных численных методов и алгоритмов. Структура сплавов будет исследована путем анализа ориентационного ближнего порядка с помощью угловых многочастичных распределений и тензорных инвариантов. Также (впервые) будет проведен анализ спектров динамических корреляционных функций в комплексной плоскости, на основе которого будут сделаны выводы о свойствах элементарных возбуждений в жидкостях и стеклах исследуемых систем. Решение указанных задач требует разработки принципиально новых численных алгоритмов, выходящих за рамки стандартных программных пакетов, а также проведения масштабного компьютерного моделирования для систем, содержавших порядка 10^6 частиц. Это требует применения суперкомпьютеров с производительностью не ниже 50 Тflops (из первой десятки в рейтинге топ-50 суперкомпьютеров России). Анализ и сопоставление полученных в проекте экспериментальных и теоретических результатов позволит сделать важный шаг в понимании природы стеклообразующей способности сплавов на основе Cu-Zr. Результаты проекта будут играть важную роль для технологии получения и использования объемоаморфных металлических сплавов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Быков В.А., Ягодин Д.А., Куликова Т.В., Шуняев К.Ю. Объемные характеристики сплава Cu50Zr50 Материалы XIV Российской конференции (с международным участием) по теплофизическим свойствам веществ (РКТС-14): в 2 т. - Казань: Изд. "Отечество", 2014, Т.2, С. 361-364. (год публикации - 2014)

2. V. Bykov, D. Yagodin, T. Kulikova, I. Sipatov, K. Shunyaev Bulk properties of the Cu50Zr50 alloy Proceedings of the 13th Israeli-Russian bi-national Workshop. - Yekaterinburg, 2014., P. 237-241 (год публикации - 2014)

Публикации

1. В.А. Быков, Т.В. Куликова, С.Х. Эстемирова, К.Ю. Шуняев Теплофизические свойства аморфизующихся сплавов Cu-Zr Сборник тезисов XLIX Школы ПИЯФ по физике конденсированного состояния ФКС-2015. Санкт-Петербург, 2015., С. 67 (год публикации - 2015)

2. S.A. Uporov, S.Kh. Estemirova, N.M. Chtchelkatchev, R.E. Ryltsev Anomalous electrical conductivity in rapidly crystallized Cu100-xZrx (x = 50-66.6) alloys Journal of Alloys and Compounds, Vol. 647, PP. 397-401 (год публикации - 2015)
10.1016/j.jallcom.2015.05.233

3. T.V. Kulikova, A.V. Maiorova, K.Yu. Shunyaev, V.A. Bykov Investigation of thermodynamic properties of intermetallic compounds of Cu-Zr system Abstacrs of XX International conference on chemical thermodynamics in Russia. Nizhni Novgorod, 2015., P. 50 (год публикации - 2015)

4. О.В. Евдокимова, Н.В. Печищева, К.Ю. Шуняев Выбор альтернативного способа оценки жесткости плазмы при ИСП-АЭС анализе ЦКП Урал-М. ИМЕТ УрО РАН. Рациональное природопользование и передовые технологии материалов. Ежегодное научно-практическое издание. Екатеринбург: ООО "ДжиЛайм" 2015.-94 с., с.34 (год публикации - 2015)

5. Т.В. Куликова, А.А. Першина, В.А. Быков, С.Х. Эстемирова, К.Ю. Шуняев Особенности структурообразования и термическая стабильность аморфизующегося сплава Cu46Zr46Al8 Труды XIV Российской конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов". Екатеринбург, 2015, С. 304-305 (год публикации - 2015)

6. Kulikova, T.V., Majorova, A.V., Shunyaev, K.Y., Ryltsev, R.E. Thermodynamic properties of Cu-Zr melts: The role of chemical interaction Physica B: Condensed Matter, Vol. 466–467, P.P. 90–95 (год публикации - 2015)
10.1016/j.physb.2015.04.001

7. V. Filippov, D. Yagodin, A. Pershina, K. Shunyaev Study of eutectoid decomposition kinetics of Cu50Zr50 alloy Book of abstracts of 3rd Central and Eastern European Conference on Thermal analysis and calorimetry, Ljubljana, Slovenia, 2015, P.232 (год публикации - 2015)

8. Т.В. Куликова, А.А. Першина, В.А. Быков, С.Х. Эстемирова, К.Ю. Шуняев Структура и кинетика кристаллизации быстрозакаленного сплава Cu46Zr46Al8 Сборник тезисов докладов XVI всероссийской школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-16). Екатеринбург, 2015, С. 72 (год публикации - 2015)

9. С.А. Упоров, С.Х. Эстемирова, Р.Е. Рыльцев, Н.М. Щелкачев, Н.С. Упорова Транспортные свойства сплавов Сu50-xZrx (x=50-66.6) Сборник тезисов XLIX Школы ПИЯФ по физике конденсированного состояния ФКС-2015. Санкт-Петербург, 2015., С. 118 (год публикации - 2015)

10. Н.В. Печищева, К.Ю. Шуняев, О.В. Евдокимова, А.В. Майорова Разработка ИСП-АЭС методики анализа аморфных сплавов Cu-Zr Материалы II Всероссийской конференции по аналитической спектроскопии с международным участием. Краснодар, 2015 г., С.256 (год публикации - 2015)

11. Р.Е. Рыльцев, Н.М. Щелкачев, Б.А. Клумов, В.Н. Рыжов Конкуренция атомных масштабов как механизм стеклования и квазикристаллизации Сборник тезисов XLIX Школы ПИЯФ по физике конденсированного состояния ФКС-2015. Санкт-Петербург, 2015., С.171 (год публикации - 2015)

12. V. Bykov, S. Uporov, S. Estemirova, V. Filippov, D. Yagodin, K. Shunyaev Structure and transport properties of polycrystalline Cu-Zr alloys Proceedings of 14th Bi-national Russian-Israeli Workshop "The optimization of the composition, structure and properties of metals, oxides, composites, nano-and amorphous materials". Ariel, Israel, 2015, С. 207-214 (год публикации - 2015)

13. V. A. Bykov, T. V. Kulikova, D. A. Yagodin, V. V. Filippov, K. Yu. Shunyaev Thermophysical and Electrical Properties of Equiatomic CuZr Alloy The Physics of Metals and Metallography, Vol. 116, No. 11, pp. 1067–1072 (год публикации - 2015)
10.1134/S0031918X15110034

14. R. Ryltsev, B. Klumov, N. Chtchelkatchev Self-assembly of the decagonal quasicrystalline order in simple three-dimensional systems Soft Matter, Vol. 11, №35, P.P.6991-6998 (год публикации - 2015)
10.1039/c5sm01397f

Публикации

1. Майорова А.В., Печищева Н.В., Шуняев К.Ю. Определение основных компонентов аморфизующихся сплавов системы Cu-Zr-Al Сборник тезисов докладов XX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, Т.4, С. 295 (год публикации - 2016)

2. Рыльцев Р.Е., Клумов Б.А., Щелкачев Н.М., Шуняев К.Ю. Политетраэдрический локальный порядок и нанокристаллизация в объемоаморфном сплаве Cu64Zr36 Сборник тезисов L Школы ПИЯФ по физике конденсированного состояния, С. 131 (год публикации - 2016)

3. Упоров С., Быков В., Эстемирова С. Electrical and thermal conductivities of rapidly crystallized Cu-Zr alloys: The effect of anharmonicity Phisica B: Condensed Matter, 499, P. 97-106 (год публикации - 2016)
10.1016/j.physb.2016.07.010

4. Печищева Н.В., Евдокимова О.В., Майорова А.В., Шуняев К.Ю. Determination of main components of amorphized CuZr alloys Inorganic Materials (год публикации - 2017)

5. Куликова Т.В., Майорова А.В., Быков В.А., Печищева Н.В., Шуняев К.Ю. Thermodynamic description of the binary Cu-Zr and Ni-Zr systems Conference Proceedings: The Ninth International Conference on Materials technologies and Modeling MMT-2016, P. 1-74 - 1-79 (год публикации - 2016)

6. Куликова Т.В., Рыльцева А.А., Быков В.А., Эстемирова С.Х., Ягодин Д.А, Шуняев К.Ю. Структурные трансформации в быстрозакаленных сплавах Cu-Zr-(Al, Ti) Сборник тезисов XV Школы-конференции "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений", 158-159 (год публикации - 2016)

7. Клумов Б.А., Рыльцев Р.Е., Щелкачев Н.М. Simulated Cu–Zr Glassy Alloys: the Impact of Composition on Icosahedral Order JETP LETTERS, V. 104, № 8, pp.546-551 (год публикации - 2016)
10.1134/S0021364016200017

8. Куликова Т.В., Рыльцева А.А., Быков В.А., Эстемирова С.Х., Ягодин Д.А, Шуняев К.Ю. Кинетика кристаллизации аморфных сплавов (Cu50Zr50)xAl100-x Труды XIII Российского семинара Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов, С. 36-37 (год публикации - 2016)

9. Рыльцев Р.Е., Клумов Б.А., Щелкачев Н.М., Шуняев К.Ю. Зависимость структуры объемоаморфного сплава Cu64Zr36 от скорости охлаждения: молекулярно-динамическое моделирование Сборник тезисов VII Всероссийской конференции с международным участием "Кристаллизация: компьютерные модели, эксперимент, технологии", С. 23 (год публикации - 2016)

10. Быков В., Куликова Т., Ягодин Д., Филиппов В., Шуняев К. Thermophysical and electrical properties of equiatomic CuZr alloy Book of abstracts of 15th International IUPAC Conference on High Temperature Materials Chemistry, P. 124 (год публикации - 2016)

11. Филиппов В.В., Ягодин Д.А., Эстемирова С.Х., Шуняев К.Ю., Леонтьев Л.И. Eutectoid Decomposition of intermetallic CuZr Doklady Physical Chemistry, V.470. Part 1. P. 137-140 (год публикации - 2016)
10.1134/S0012501616090037

12. Филиппов В.В., Упоров С.А., Быков В.А., Шуняев К.Ю., Гельчинский Б.Р. An automated setup for measuring the viscosity of metal melts Instruments and experimental techniques, V.59, N 2, P. 305-311 (год публикации - 2016)
10.1134/S0020441216010036

13. Куликова Т.В., Майорова А.В., Быков В.А., Шуняев К.Ю. Chemical interaction and thermodynamic properties of (Cu,Ni)-Zr glass-forming alloys European Physical Journal-Special Topics (год публикации - 2016)

14. Филиппов В., Ягодин Д., Эстемирова С., Шуняев К.Ю. Determination of CCT and TTT diagrams for eutectoid decomposition of the Cu50Zr50 alloy Book of abstracts XLII JEEP Conference of Phase Equilibria, P. 91 (год публикации - 2016)

15. Куликова Т.В., Рыльцева А.А., Быков В.А., Эстемирова С.Х., Ягодин Д.А, Шуняев К.Ю. Особенности мартенситных превращений и кристаллизации в аморфизующихся сплавах Cu50Zr50 и Cu46Zr46Al8 Сборник тезисов VII Всероссийской конференции с международным участием "Кристаллизация: компьютерные модели, эксперимент, технологии", С. 124-125 (год публикации - 2016)

16. Майорова А.В., Печищева Н.В., Евдокимова О.В., Шуняев К.Ю. Разработка методики определения основных компонентов аморфизующихся сплавов системы Cu-Zr-Al Материалы X-Всероссийской научной конференции с международным участием Аналитика Сибири и Дальнего Востока, С. 70 (год публикации - 2016)

17. Рыльцев Р.Е., Клумов Б.А., Щелкачев Н.М., Шуняев К.Ю. Структурные и динамические свойства аморфизующихся сплавов Cu-Zr: молекулярно-динамическое моделирование Сборник тезисов XV Школы конференции "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений", С. 160-161 (год публикации - 2016)

18. Филиппов В.В., Ягодин Д.А., Рыльцева А.А., Эстемирова С.Х., Шуняев К.Ю. The study of eutectoid decomposition kinetics of Cu50Zr50 alloy Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, P. 1-6 (год публикации - 2016)
10.1007/s10973-016-5530-7

19. Рыльцев Р.Е., Клумов Б.А., Щелкачев Н.М., Шуняев К.Ю. Структурные и динамические свойства аморфизующихся сплавов Cu-Zr: молекулярно-динамическое моделирование Труды XIII Российского семинара Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов, С. 9-10 (год публикации - 2016)

20. Рыльцев Р.Е., Клумов Б.А., Щелкачев Н.М., Шуняев К.Ю. Проблемы компьютерного моделирования структуры металлических стекол Сборник тезисов XVII Всероссийской школы- семинара по проблемам физико конденсированного состояния вещества СПФКС-17, С. 29 (год публикации - 2016)

21. Печищева Н.В., Евдокимова О.В., Майорова А.В., Шуняев К.Ю. Определение основных компонентов аморфизирующихся сплавов системы Cu-Zr Заводская лаборатория. Диагностика материалов, Т.82 №3 (год публикации - 2016)

22. Рыльцев Р.Е., Клумов Б.А., Щелкачев Н.М., Шуняев К.Ю. Cooling rate dependence of simulated Cu64.5Zr35.5 metallic glass structure The journal of chemical physics, V.145. I.3. 034506-1-10 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4958631

23. Рыльцева А.А., Куликова Т.В., Быков В.А., Эстемирова С.Х., Филиппов В.В., Ягодин Д.А, Шуняев К.Ю. Структурные трансформации в быстрозакаленных аморфизующихся сплавах Cu50Zr50 и Cu46Zr46Al8 Сборник тезисов L Школы ПИЯФ по физике конденсированного состояния, С. 132 (год публикации - 2016)