Высокотемпературная фазовая и структурная стабильность в высокоэнтропийных жаропрочных сплавах TiZrHfx(NbV)y

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 19-73-20053

НазваниеВысокотемпературная фазовая и структурная стабильность в высокоэнтропийных жаропрочных сплавах TiZrHfx(NbV)y

Руководитель Упоров Сергей Александрович, Кандидат физико-математических наук

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

Конкурс №31 - Конкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые слова жаропрочные сплавы, высокоэнтропийные сплавы, твердый раствор, структура, нейтронография, электронная микроскопия, электропроводность, теплопроводность, теплоемкость, термическое расширение, намагниченность, фазовая стабильность, кинетика релаксации

Код ГРНТИ53.49.07

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Большинство известных высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) представляют собой метастабильные (или нестабильные) металлические материалы с огромными временами релаксации. Равновесное (квазиравновесное) состояние в этих материалах труднодостижимо из-за повышенной конфигурационной энтропии и, как следствие, медленной кинетики релаксации. Тем не менее, в условиях интенсивной эксплуатации при повышенных температурах, в таких сплавах наблюдаются релаксационные процессы: трансформируется кристаллическая структура, формируются дополнительные фазы, изменяются размеры зерен, перераспределяются химические элементы внутри фаз и т.п. Наблюдения показывают, что в результате длительного отжига или сильной механической деформации структурное состояние материала может измениться радикально в сравнении с изначальным состоянием, вследствие чего сплав теряет свои полезные свойства. Для стабилизации определенного структурного состояния в этих материалах необходимо иметь ясное понимание природы фазовой и структурной стабильности в высокоэнтропийных системах и механизмов релаксационных процессов, а также уметь оценивать характерные времена релаксации. В связи с этим, возникает естественная необходимость систематического исследования термической стабильности высокоэнтропийных сплавов при высоких температурах, а также изучение кинетики протекающих в них релаксационных процессов. Обозначенные проблемы предлагается рассмотреть на примере сплавов TiZrHfx(NbV)y. Выбор сплавов для исследования обусловлен, во-первых, высокими температурами плавления и, следовательно, перспективами применения в качестве жаропрочных материалов и, во-вторых, высокой вероятностью образования стабильного твердого раствора. Действительно, базовая система TiZrHf, состоящая из элементов подгруппы титана, представляет собой ряд непрерывных твердых растворов (с ГПУ решёткой), что очень важно для формирования ВЭС. Ниобий и ванадий также образуют твердые растворы между собой (но с ОЦК решеткой) и со всеми элементами базовой системы, как следует из имеющихся в литературе фазовых диаграммы соответствующих бинарных систем. В рамках данного проекта планируется рассмотреть проблемы, связанные с фазовой и структурной стабильностью данных материалов. В частности, предполагается изучить эволюцию структуры и кинетику релаксационных процессов, протекающих в данных сплавах при высоких температурах (500 – 1000 K), варьируя их элементный состав, количественное соотношение элементов (т.е. изменяя конфигурационную энтропию), а также, изменяя способ высокотемпературной обработки (различные температуры отжига и экспозиции). Планируется изучить несколько серий образцов, отожженных в течение различных промежутков времени и при разных температурах. Предполагается охватить широкие интервалы времени, до 500 часов (около месяца), изучая на каждой стадии отжига структуру и свойства полученного материала. По результатам экспериментальных исследований планируется выполнить кинетический анализ временных зависимостей структуры и свойств, оценить времена релаксаций, энергии активации, тип релаксационных процессов и др. Большое количество образцов (не менее 10 в каждой серии) позволит получить удовлетворительную статистику для описания кинетики даже очень медленных процессов, что характерно для ВЭСов. В результате выполнения проекта будут получены прямые экспериментальные данные об эволюции структуры и свойств высокоэнтропийных материалов при высоких температурах в течение длительных изотермических отжигов. Полученный материал позволит провести комплексный анализ протекающих в сплавах процессах, что обеспечит более ясное понимание природы аномально высокой стабильности ВЭСов и механизмов релаксационных процессов, протекающих в них при повышенных температурах. Результаты выполнения проекта позволят оценить перспективы применения исследуемых сплавов в качестве жаропрочных конструкционных материалов. Предлагаемое исследование планируется провести в три этапа: • Первый этап: изучение влияние элементного состава. Предполагается исследовать эквиатомные композиции TiZrHfNb, TiZrHfV и TiZrHfNbV. Для каждого состава будут получены не менее 10 образцов путем отжига при фиксированной температуре (в интервале 500 – 1000 K, опираясь на результаты термического анализа) в течение 1, 3, 10, 25, 50, 100, 200, 300, 400 и 500 часов, соответственно. Итого, будут исследованы 30 образцов. • Второй этап: изучение влияние температуры на термическую стабильность на примере эквиатомного сплава TiZrHfNbV. Будут получены три серий образцов, подвергнутых различному изотермическому отжигу в течение 1, 3, 10, 25, 50, 100, 200, 300, 400, 500 часов, соответственно. Итого, будут исследованы 30 образцов. • Третий этап: изучение влияние конфигурационной энтропии на термическую стабильность на примере сплавов (TiZrHf)xNbVy, где x/y = 3/1; 2/1; 1/1. Для каждого состава будут получены не менее 10 образцов путем отжига при фиксированной (одинаковой для всех образцов) температуре в течение 1, 3, 10, 25, 50, 100, 200, 300, 400, 500 часов, соответственно. Итого, планируется исследовать 30 образцов. Каждый этап проекта предполагает синтез запланированных образцов, их аттестацию и комплексные исследования в соответствии с поставленными задачами. 1. Получение сплавов методом электродугового сплавления, химический и структурный анализы выплавленных образцов. 2. Термический анализ полученных слитков, определение особых температур, точек плавления, структурных / фазовых переходов. Определение оптимальных температур для последующего высокотемпературного отжига (ориентировочный интервал 500 – 1000 K). 3. Отжиг синтезированных сплавов согласно регламенту этапа и результатам термического анализа, подготовка отожженных материалов к исследованиям в соответствии с требованиями каждой из выбранных методик. 4. Структурный анализ всех полученных образцов с применением различных методик (рентгеновская дифракция, сканирующая и просвечивающая электронная микроскопии, локальный химический анализ). Определение типа и параметров кристаллических структур, размер зерен, химический состав выявленных фаз и д.р. 5. Экспериментальные исследования электрической, тепловой проводимостей и намагниченности на всех полученных образцах. 6. Кинетический анализ изотермических зависимостей электропроводности, теплопроводности, структурных параметров от времени отжига. При наличии фазовых превращений в ходе отжига, по результатам структурного анализа также будет построена зависимость степени превращения от времени. Определение типа релаксационных процессов, оценка времен релаксаций, энергий активации и др. 7. Общий анализ полученных результатов о влиянии различных факторов (элементного состава, температуры, времени отжига и величины конфигурационной энтропии) на структурную и фазовую стабильность в сплавах (TiZrHf)xNbVy. Результаты структурного и кинетического анализов позволят выявить общие закономерности эволюции структуры и протекающих в материалах релаксационных процессов при повышенных температурах, а также получить более полное понимание аномально высокой фазовой и структурной стабильности в высокоэнтропийных сплавах. Для количественного описания кинетики релаксационных процессов и фазообразования в ВЭСах необходимо наличие набора надежных экспериментальных данных о структуре образцов. Как известно, эти материалы обладают сильно искаженной кристаллической структурой, что крайне затрудняет их структурно-фазовый анализ. Привлечение различных методик (электронной микроскопии, дифракции рентгеновских лучей и нейтронов) позволит полноценно аттестовать полученные сплавы и с высокой точностью рассчитать структурные параметры кристаллических фаз, а также определить их химический состав и морфологию. Для решения обозначенных задач будет привлечено как стандартное, так и уникальное оборудование ЦКП «Физико-технологический инфраструктурный комплекс» (ФТИК) ИФМ УрО РАН

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Рыльцев Р.Е.,Эстемирова С.Х., Ягодин Д.А., Стерхов Е.В., Упоров С.А. Структура и теплофизические свойства жаропрочных высокоэнтропийных сплавов ZrTiHf (Ni, V, Mo) Тезисы докладов международной научной конференции современные материалы и передовые производственные технологии, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, стр. 13 (год публикации - 2019)

2. Упоров С.А., Ягодин Д.А., Эстемирова С.Х., Балякин И.А., Рыльцев Р.Е. Новые высокоэнтропийные сплавы с ГПУ структурой в системах ScTiZrHf(Nb) Сборник тезисов 18 международной школы-конференции "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений", Сочи, стр. 117 (год публикации - 2019)

Публикации

1. Упоров С.А., Рыльцев Р.Е., Быков В.А., Эстемирова С.Х., Замятин Д.А. Microstructure, phase formation and physical properties of AlCoCrFeNiMn high-entropy alloy Journal of Alloys and Compounds (год публикации - 2020)
10.1016/j.jallcom.2019.153228

2. Упоров С.А., Эстемирова С.Х., Быков В.А., Замятин Д.А., Рыльцев Р.Е. A single-phase ScTiZrHf high-entropy alloy with thermally stable hexagonal close-packed structure Intermetallics (год публикации - 2020)
10.1016/j.intermet.2020.106802

3. Упоров С.А., Рыльцев Р.Е., Эстемирова С.Х., Стерхов Е.В., Щелкачев Н.М. Stable high-entropy TiZrHfNbVCrMoMnFeCoNiAl Laves phase Scripta Materialia (год публикации - 2020)
10.1016/j.scriptamat.2020.10.049

4. Эстемирова С.Х., Упоров С.А., Стерхов Е.В. Эволюция структурного и субструктурного состояний высокоэнтропийного сплава TiZrHfNbV В процессе продолжительного отжига при 400 C ТРУДЫ научно-практической конференции c международным участием и элементами школы молодых ученых «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛУРГИИ И МАШИНОСТРОЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗАВЕРШЕННЫХ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И НИОКР», НИОКР-2020, Екатеринбург, стр. 369 (год публикации - 2020)

5. Эстемирова С.Х., Упоров С.А., Стерхов Е.В. РЕНТГЕНОВСКИЕДИФРАКЦИОННЫЕИССЛЕДОВАНИЯВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХСПЛАВОВ Ti-Nb-Zr-Hf-V-Mo Сборник тезисов докладов 13-го симпозиума с международным участием ТЕРМОДИНАМИКА И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ РОССИЙСКО-КИТАЙСКИЙ СЕМИНАР «Advance Materials and Structures», Новосибирск, стр. 121 (год публикации - 2020)

6. Балякин И.А, Рыльцев Р.Е., Ремпель А.А. Разработка межатомного потенциала для сплава TiZrHfNb методами глубокого машинного обучения сборник тезисов XIX всероссийской конференции "проблемы физики твердого тела и высоких давлений", Сочи, стр. 74-75 (год публикации - 2020)

7. Упоров С.А., Эстемирова С.Х., Быков В.А., Рыльцев Р.Е., Стерхов Е.В., Замятин Д.А. Термически стабильный высокоэнтропийный сплав ScTiZrHf c ГПУ структурой сборник тезисов XIX всероссийской конференции "проблемы физики твердого тела и высоких давлений", Сочи, стр. 162-163 (год публикации - 2020)

Публикации

1. Упоров С.А., Рыльцев Р.Е.,Сидоров В.А.,Эстемирова С.Х., Стерхов Е.В., Балякин И.А., Щелкачев Н.М. Pressure effects on electronic structure and electrical conductivity of TiZrHfNb high-entropy alloy Intermetallics, V. 140, 107394 (год публикации - 2022)
10.1016/j.intermet.2021.107394

2. Р.Е. Рыльцев, С.Х. Эстемирова, Д.А. Ягодин, Е.В. Стерхов, С.А. Упоров Структура, термическая стабильность и транспортные свойства жаропрочного высокоэнтропийного сплава ZrTiHfNb Физика твердого тела, том 63, вып. 12, 1974-1977 (год публикации - 2021)
10.21883/FTT.2021.12.51652.29s

3. Черепанова Л.А., Упоров С.А., Эстемирова С.Х., Митрофанов В.Я. О формировании фазы Лавеса С14 и морфологии микроструктуры трех многокомпонентных высокоэнтропийных сплавов Сборник тезисов докладов конференции "17-й Российский Симпозиум ФОАММ-2021 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ АТОМИСТИЧЕСКОГО МНОГОМАСШТАБНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ", стр.18 (год публикации - 2021)

4. С.Х. Эстемирова, С.А.Упоров, Е.В. Стерхов, Митрофанов В.Я. GRADIENT STRUCTURAL PHASE STATES IN HIGHLY ENTROPIC TiZrHfNb(Me) (Me =V, Mo) ALLOYS AFTER ISOTHERMAL ANNEALING AT 400 ° С BOOK OF ABSTRACTS OF THE INTERNATIONAL CONFERENCE MELTS 2021, Book of Abstracts of the International Conference MELTS. 2021. С. 102. (год публикации - 2021)

5. И.А. Балякин, Р.Е. Рыльцев, С.А. Упоров, А.А. Ремпель Потенциалы межатомного взаимодействия в расплавах TiZrHfNb и TiZrHfSc ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ XXI ВСЕРОССИЙСКОЙ ШКОЛЫ–СЕМИНАРА ПО ПРОБЛЕМАМ ФИЗИКИ КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА (СПФКС–21), 03.2021 (год публикации - 2021)

6. Упоров С.А., Рыльцев Р.Е., Сидоров В.А., Эстемирова С.Х., Стерхов. В., Балякин И.А., Щелкачев Н.М. ELECTRONIC STRUCTURE AND ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF TiZrHfNb HIGH-ENTROPY ALLOY UNDER PRESSURE Сборник тезисов докладов конференции "III Международная школа-конференция «Получение, структура и свойства высокоэнтропийных материалов»", стр. 38 (год публикации - 2021)

7. Роман Рыльцев, Василий Гавико, Светлана Эстемирова, Евгений Стерхов, Любовь Черепанова, Денис Ягодин, Николай Щелкачев, Николай Дубинин, Сергей Упоров Laves Phase Formation in High Entropy Alloys Metals, Metals 2021, Volume 11, Issue 12, 1962 (год публикации - 2021)
10.3390/met11121962

8. Роман Рыльцев, Светлана Эстемирова, Василий Гавико, Денис Ягодин, Виктор Быков, Евгений Стерхов, Любовь Черепанова, Иван Сипатов, Илья Балякин, Сергей Упоров Structural Evolution in TiZrHfNb High-Entropy Alloy Materialia, 22 V 2022 (год публикации - 2022)
10.2139/ssrn.3940186

9. Р.Е. Рыльцев, Н.М. Щелкачев Deep machine learning potentials for multicomponent metallic melts: Development, predictability and compositional transferability Journal of Molecular Liquids, 2021, 118181 (год публикации - 2021)
10.1016/j.molliq.2021.118181