Одним из основных двигателей технологического прогресса и появления тех или иных новых устройств является открытие или создание новых материалов. Физические и химические свойства материала диктуют правила того, где и как сможет использоваться будущее устройство. Какие-то материалы великолепно справляются с определенными условиями окружающей среды, но становятся бесполезными, если эти условия меняются. Ученые из Пхоханского университета науки и технологии (Пхохан, Южная Корея) разработали новый металлический сплав, способный сохранять свои свойства в широком диапазоне температур, от -196 °C до 600 °C. Из чего сделан этот сплав, каковы его характеристики, и где он может применяться? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Появление сплавов с высокой и средней энтропией (HEA/MEA от high-entropy alloy / medium-entropy alloy) представляет собой важную веху в материаловедении и инженерии, предлагая выдающиеся механические свойства и термическую стабильность. Эти сплавы, состоящие из нескольких основных элементов, контрастируют с традиционной конструкцией сплавов, которая обычно основана на преобладающем элементе. Повышенная конфигурационная энтропия повышает фазовую стабильность и общие механические характеристики в различных средах, включая температурные колебания, коррозию, водородную хрупкость и облучение.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают концепцию «гиперадапторов» — материалов, разработанных для минимальной чувствительности к широкому диапазону внешних воздействий. В отличие от обычных материалов, которые оптимизированы для узких температурных диапазонов, например, сплавов инвара для криогенных и комнатных температур и суперсплавов для высокотемпературных сред, гиперадапторы демонстрируют постоянную производительность при криогенных, комнатных и повышенных температурах. В таких отраслях, как аэрокосмическая, автомобильная и энергетическая, где колеблющиеся условия окружающей среды часто требуют использования нескольких материалов или дополнительных компонентов, таких как покрытия, многослойные структуры или системы охлаждения, для обеспечения термической стабильности, материалы гиперадаптора призваны заменить их одним решением. Сохраняя производительность и стабильность в широком температурном диапазоне, это нововведение может значительно повысить эффективность и надежность таких систем, предлагая оптимизированный подход для высокопроизводительных отраслей.
В качестве первого примера гиперадаптора в этом исследовании представлен HEA на основе Ni, специально разработанный для демонстрации пониженной температурной чувствительности в его свойствах растяжения. HEA на основе Ni известны своими гранецентрированными кубическими (FCC от face-centered cubic) и L12 фазами, известными своей превосходной термической стабильностью. Незначительное добавление Al и Ti способствует образованию наноразмерных преципитатов L12, повышая термическую стабильность и обеспечивая атермические механические свойства.
Высокое содержание Ni в сплаве играет решающую роль в увеличении энергии дефекта упаковки (SFE от stacking fault energy). В материалах с низкой и умеренной SFE механизмы деформации могут смещаться при изменении температуры — например, в то время как скольжение дислокаций может доминировать при комнатной температуре, пластичность, вызванная двойникованием (TWIP от twinning-induced plasticity) или пластичность, вызванная трансформацией (TRIP от transformation-induced plasticity), может возникать при криогенных температурах. В материалах с достаточно высокой SFE эти переходы эффективно подавляются, предотвращая активацию механизмов TWIP и TRIP. В результате скольжение дислокаций остается доминирующим механизмом деформации в широком диапазоне температур, что приводит к пластичности, вызванной скольжением дислокаций, включая плоское скольжение, решетки Тейлора, стенки с плотными дислокациями и микрополосы. Такое сочетание высокой SFE и нанопреципитационного упрочнения гарантирует, что HEA на основе Ni сохраняет стабильное поведение деформации, что делает его отличным кандидатом для применений, требующих стабильности в широком диапазоне тепловых условий.
Опираясь на эту основу, данное исследование закрывает критический пробел в знаниях относительно производительности HEA на основе Ni в широком диапазоне температур — от 77 К до 873 К. Исследуя температурно-нечувствительные свойства растяжения HEA на основе Ni, ученые подтвердили его роль как гиперадаптера, способного удовлетворять динамическим требованиям современных промышленных приложений. Результаты подчеркивают потенциал этих HEA для надежной работы в различных условиях окружающей среды, что делает их идеальными кандидатами для передовых инженерных приложений.
Подготовка к исследованию
Литой Ni–HEA Ni35(FeCoCr)53Al7Ti5 (ат. %) был отлит с использованием вакуумной индукционной плавки в графитовой форме с размерами 7×33×80 мм. Использовалось сырье с чистотой 99.95% Al, Ti, Cr, Fe, Co и Ni. Гомогенизация для достижения химической однородности проводилась при температуре 1200 °C в течение 12 часов с последующей закалкой на воздухе для предотвращения растрескивания. Измерение дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC от differential scanning calorimetry) с помощью SETARAM LABSYS Evo DTA/DSC проводилось, чтобы оценить температуры растворения и плавления L12 литого образца Ni–HEA. Микроструктуры и химический состав анализировались с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM от scanning electron microscopy), оснащенной энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (EDS от energydispersive X-ray spectroscopy) и просвечивающей электронной микроскопией (TEM от transmission electron microscopy). Кристаллические структуры идентифицировались с помощью рентгеновского дифрактометра (XRD от X-ray diffractometer) с Cu Kα-излучением, сканирующим от 20° до 100° с шагом 1.0° в минуту.
Образцы для испытаний на растяжение с размерами 5.0 (расчетная длина) × 2.5 (ширина) × 1.5 (толщина) мм были непосредственно вырезаны из гомогенизированных образцов с использованием электроэрозионной обработки проволочным электродом. Испытания на растяжение проводились при скорости деформации 1×10−3/с с использованием универсальной разрывной испытательной машины при 77 К (температура жидкого азота), универсальной разрывной машины при комнатной температуре с методом цифровой корреляции изображений и универсальной разрывной машины при 873 К в воздушной атмосфере. После стабилизации температуры в течение 5 минут образцы были предварительно нагружены до 10 Н для устранения эффектов теплового расширения и усадки. Для испытаний на растяжение при 77 и 873 К расчетная длина маркировалась с помощью микротвердомера для точного измерения удлинения при растяжении.
Результаты исследования
Изображение №1
Выше показана картина XRD литого Ni–HEA, показывающая доминирующие пики FCC с преципитатами L12. Анализ идентифицирует фазу B2 при углах дифракции 24.7° и 45.9° со слабой интенсивностью, образовавшуюся во время охлаждения на воздухе после гомогенизации. Последующие анализы SEM и TEM были проведены для определения структуры и состава этих преципитатов.
Изображение №2
Выше показаны SEM снимки и соответствующие изображения EDS гомогенизированного Ni–HEA. Ni–HEA демонстрирует грубый размер приблизительно 850 мкм. На тройном стыке на 2a на границах наблюдается отчетливый серый преципитат размером приблизительно 500 нм. Соответствующее изображение EDS на 2a1 показывает, что этот преципитат обеднен Cr, но обогащен Al и Ti. Крупнозернистая микроструктура значительно снижает объемную долю этих хрупких преципитатов B2 до менее 1%, эффективно минимизируя их образование и их влияние на механические свойства сплава. Кроме того, на 2b показано увеличенное изображение границ зерен, на котором видны ячеистые преципитаты размером менее 300 нм, ориентированные перпендикулярно границе зерен, и равномерно распределенные сферические нанопреципитаты по всей матрице. Как ячеистые, так и сферические преципитаты являются прерывистыми и непрерывными преципитатами L12, соответственно, обычно наблюдаемыми в сплавах на основе Ni.
Изображение №3
Как показано выше, анализ TEM проливает свет на структуру и состав нанопреципитатов в Ni–HEA. Изображение в темном поле вместе с соответствующими картами EDS и выбранной областью электронной дифракции подтверждает наличие сферических преципитатов L12. Эти преципитаты в основном богаты Ni–Al–Ti и обеднены Cr–Fe–Co, имея средний диаметр 29.87 ± 4.17 нм с объемной долей 27.0%. Образование этих непрерывных преципитатов L12 является результатом пересыщения растворенных веществ в матрице. Напротив, прерывистые преципитаты L12 ячеистой формы образуются поперек фронта реакции между областями непрерывного осаждения и прерывистого осаждения вдоль миграции границ зерен. Различия в концентрации растворенных веществ поперек границ влияют на это поведение осаждения. Крупнозернистая структура литого Ni–HEA ограничивает возникновение прерывистых преципитатов преимущественно на границах зерен, тем самым усиливая непрерывную преципитацию внутри зерна. Такие факторы, как температура термообработки, продолжительность и размер преципитатов, влияют на форму. Более мелкие преципитаты, такие как преципитаты L12 в Ni-HEA, минимизируют межфазную энергию, образуя сферические формы. Напротив, более крупные преципитаты образуют пластинчатые формы вдоль упруго-мягких направлений матрицы из-за доминирования энергии деформации.
Изображение №4
Как показано на 4a, репрезентативные кривые напряжение-деформация для Ni-HEA были получены из испытаний на растяжение, проведенных в широком диапазоне температур: 77, 298 и 873 К. Обобщенные свойства растяжения в таблице 1 раскрывают интригующие свойства растяжения сплава в этих условиях.
Таблица №1
Примечательно, что материал демонстрирует механические свойства, которые являются удивительно постоянными, но показывают лишь небольшие изменения в зависимости от испытанных температур, что подчеркивает его постоянную производительность в различных тепловых условиях. При 77 К сплав показал YS (от yield strength, т. е. предел текучести) 757 МПа, предел прочности на растяжение (UTS от ultimate tensile strength) 1039 МПа и общее удлинение 37.2%. При 298 К значения YS составили 571 МПа, UTS 773 МПа и удлинение 37.7%. При 873 К результаты показали YS 531 МПа, UTS 600,0 МПа и уменьшенное удлинение на 25.2%. Даже при криогенной температуре прочность существенно не отличается от прочности при комнатной температуре и демонстрирует схожие кривые удлинения и напряжения-деформации. Несмотря на термическое размягчение при 873 К, YS остается почти постоянным по сравнению с таковым при комнатной температуре. По сравнению с другими HEA и MEA, Ni-HEA демонстрирует превосходную механическую стабильность в широком диапазоне температур (77–873 К). Обычно прочность и удлинение большинства сплавов значительно изменяются с температурой, что приводит к резким изменениям механических характеристик, как показано на 4b. Однако в случае Ni-HEA YS и общее удлинение остаются стабильными в этом широком диапазоне температур.
Механические свойства Ni–HEA демонстрируют замечательную последовательность в прочности, пластичности и поведении деформации в широком диапазоне температур, что отличает его от других HEA. Как правило, HEA известны зависящими от температуры изменениями YS, в первую очередь из-за ближнего порядка (SRO от short-range order) или явлений нанокластеризации, с типичным отношением YS при комнатной температуре к YS при 77 K (σRT/σ77) в диапазоне 0.4–0.6, что указывает на значительную температурную чувствительность. В системе сплавов Ni–Fe–Co–Cr–Al–Ti Al и Ti — элементы, известные своими большими атомными радиусами и высокой электроотрицательностью — повышают степень SRO. Этот состав тесно согласует Ni–HEA с внутренними свойствами других HEA. Однако литой Ni-HEA демонстрирует отношение σRT/σ77 около 0.75, что заметно выше, чем у типичных HEA, и свидетельствует о его исключительной температурной нечувствительности.
Далее были изучены различные вклады в YS литого Ni–HEA, включая напряжение трения (σf), упрочнение твердого раствора (σs), упрочнение дислокаций (σd), упрочнение границ зерен (σgb) и дисперсионное твердение (σppt):
σys = σf + σs + σd + σgb + σppt
где σf, σs и σd представляют собой тепловые вклады, тогда как σgb и σppt являются атермическими вкладами, эффективными ниже 0.5Tm (гомологичная температура). Напряжение трения, с его известной температурной зависимостью, критически влияет на подвижность дислокаций в кристаллической решетке, как показано в соотношении:
σf = σp(0) ∙ exp(−T/C)
где σp(0) — напряжение Пайерлса–Набарро при 0 К, T — температура, а C — константа, связанная с характеристиками дислокаций. Более высокие температуры облегчают скольжение дислокаций, снижая YS. Хотя упрочнение твердого раствора зависит от температуры, оно не оказывает существенного влияния на изменения YS. Влияние упрочнения дислокаций незначительно из-за низкой плотности дислокаций в полностью рекристаллизованных микроструктурах литого состояния.
Атермические факторы, такие как упрочнение границ зерен и преципитация, остаются эффективными ниже 0.5Tm. В частности, исключительно крупные зерна минимизируют влияние упрочнения границ зерен. Соответственно, результаты показывают почти постоянный предел текучести от 77 К до 873 К, что означает, что преципитаты L12 остаются эффективными в упрочнении без заметных изменений. Предыдущие исследования сообщили о минимальных изменениях размера преципитатов L12 (например, от 27.5 нм до 27.9 нм) даже после испытаний на растяжение при температурах, достигающих 1073 К, что объясняется коротким временем выдержки и умеренными температурами испытаний. При более высоких температурах (> 1073 К) преципитаты L12 могут перейти от сдвигового к механизму упрочнения Орована, минуя механизм упрочнения, однако такие сдвиги маловероятны при температуре 873 К или ниже.
Для HEA, укрепленного преципитатами L12 размером менее 35 нм, доминирующим механизмом упрочнения является упорядочивающее упрочнение, количественно определяемое следующим уравнением:
где M — фактор Тейлора (3/06 для сплавов FCC), γ APB — антифазная граница (0.12 Дж/м2 для суперсплава Ni), b — вектор Бюргерса (0.254 нм по результатам XRD), а f — доля преципитатов (27%, рассчитанная по снимкам STEM–EDS). Эта формула показывает, что дисперсионное упрочнение вносит приблизительно 330 МПа в YS, что составляет от 43.5% до 62.2% от общего YS. Этот значительный вклад демонстрирует решающую роль преципитатов в улучшении механических свойств литого Ni–HEA.
Оптимизировав баланс между термическими и атермическими факторами, ученые добились постоянного значения YS в широком диапазоне температур. Более того, наноразмерные и термически стабильные преципитаты L12 значительно повышают YS, сохраняя пластичность. Их наноразмерный масштаб предотвращает хрупкость при криогенных температурах, позволяя сплаву поддерживать схожие уровни удлинения в различных термических условиях.
Изображение №5
Анализы EBSD и ECCI были выполнены в тех же областях вблизи области разрушения для исследования поведения деформации Ni–HEA при различных температурах. При 873 К анализ EBSD (5a1-5a2) показывает значение средней разориентации ядра (KAM от kernel average misorientation) 0.443 ± 0.206°, что указывает на очень низкую разориентацию. График разориентации показывает минимальную флуктуацию ниже 0.5°, что указывает на незначительную деформацию внутри зерна из-за динамического восстановления. Гладкость кривой разориентации предполагает, что движение дислокаций происходит беспрепятственно, что соответствует поведению размягчения, наблюдаемому на кривой напряжения-деформации. Постепенное увеличение кривой «точка-начало» означает прогрессирующее накопление дислокаций. Анализ ECCI (5a3) показывает слабые пересекающиеся деформационные скольжения вдоль плоскости 111, как идентифицировано в картине обратного рассеяния электронов (EBSP от electron backscatter pattern) на 5a2. Скольжение по плоскостям 111 типично для металлов с ГЦК-решеткой. При большом увеличении (5a4) наблюдаемые дислокации тщательно выровнены вдоль плоскости (111) с интервалом скольжения 1 мкм, иллюстрируя точное расположение дислокаций, указывающее на плоскостное скольжение.
При 298 К значение KAM увеличилось до 1.260 ± 0.551°, что указывает на более интенсивную дислокационную активность, чем при 873 К. График разориентации (5b2) показывает повышенные флуктуации с углами между 2–3°, что указывает на образование микрополос, вызванных скольжением. Изображения ECC при низком и высоком увеличении (5b3-5b4) показывают микрополосы толщиной приблизительно 100 нм вдоль плоскости (111), что указывает на значительное деформационное упрочнение.
При 77 К значение KAM уменьшается до 0.765 ± 0.611°, но график разориентации (5c1-5c2) показывает более выраженные пики, указывающие на плотно упакованные микрополосы, вызванные скольжением, с более высокими углами разориентации, чем те, которые наблюдаются при 298 К и 873 К. Высокие значения KAM указывают на концентрированную плотность дислокаций в пределах нескольких микрополос. Изображения ECC подтверждают, что эти микрополосы содержат высокоплотные дислокации, что способствует высоким пикам, наблюдаемым на графике разориентации. Это интенсивное накопление дислокаций при криогенной температуре можно отнести к крупнозернистой структуре, которая концентрирует дислокации на меньшем количестве плоскостей скольжения и снижает микроструктурную сложность. При 77 К деформация характеризуется гораздо более широким интервалом между микрополосами, но сами микрополосы значительно толще, около 3 мкм, при этом деформация в значительной степени сосредоточена в нескольких микрополосах.
Анализ в диапазоне температур показывает, что пластичность, вызванная скольжением дислокаций, является доминирующим механизмом, обеспечивающим единообразное поведение деформации независимо от колебаний температуры.
В Ni–HEA применение температурно-нечувствительных механизмов упрочнения, таких как дисперсионное упрочнение и пластичность, вызванная скольжением дислокаций, обеспечивает постоянную прочность и пластичность в широком диапазоне температур. Термически стабильные наноразмерные преципитаты сохраняют высокую прочность при повышенных температурах и снижают локальную концентрацию напряжений, тем самым избегая быстрого разрушения при криогенных температурах. Пластичность, вызванная скольжением дислокаций, облегчаемая высокой SFE, приводит к аналогичному упрочнению и пластичности при всех температурах. Такое стабильное поведение дислокаций имеет важное значение для оптимизации производительности в различных промышленных приложениях, особенно в средах, подверженных экстремальным и флуктуирующим температурам.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
Физические свойства материалов сильно зависят от условий окружающей среды, в частности от температуры. Многие из них отлично работают в узком температурном диапазоне, но теряют своих качества в случае экстремальных температурных флуктуаций.
В рассмотренном нами сегодня труде ученые создали сплав Ni–HEA, назвав его «гиперадапторным», который способен сохранять свои свойства в широком диапазоне температур от 77 К до 873 К. Такая стабильность объясняется наличием наномасштабных преципитатов L12, которые равномерно распределены внутри сплава. Эти мелкие частицы действуют как армирование, которое препятствует деформации, в то время как внутренняя структура сплава выдерживает напряжение за счет постоянного скольжения, независимо от температуры.
Как отмечают ученые, данная разработка является крайне полезной для приложений и отраслей, который сталкиваются с резкими и экстремальными перепадами температуры, для таких как ракетные или реактивные двигатели, автомобильные выхлопные системы, турбины электростанций и трубопроводы.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
