Skip to Content

ПОТЕНЦИАЛ ВЫСОКОЙ ЭНТРОПИИ

Сегодня во всем мире и в России растет интерес к высокоэнтропийным сплавам (ВЭСам) — материалам, которые обладают отличными прочностными характеристиками при высоких температурах, а также уникальными теплофизическими и электромагнитными свойствами. В Институте металлургии УрО РАН исследования ВЭСов развиваются в рамках двух проектов РНФ — «Синтез, структура и функциональные свойства высокоэнтропийных магнетокалорических материалов на основе редкоземельных элементов» (руководитель — директор ИМЕТ академик А.А. Ремпель) и «Высокотемпературная фазовая и структурная стабильность в высокоэнтропийных жаропрочных сплавах титан-цирконий-гафний-ниобий-ванадий» (руководитель — кандидат физико-математических наук С.А. Упоров). В 2018 г. в ИМЕТ была создана лаборатория высокоэнтропийных сплавов, где работают активные молодые ученые, в основном выпускники Физико-технологического института и Института новых материалов и технологий УрФУ. Об актуальном научном направлении мы поговорили с заведующим лабораторией академиком Андреем Ремпелем.
— Высокоэнтропийные сплавы — новая тематика не только для института, но и для вас, Андрей Андреевич, ведь в Институте химии твердого тела УрО РАН вы занимались изучением нестехиометрических соединений. Связаны ли эти области исследований?
— Да, конечно, связаны, и самым непосредственным образом. Нестехиометрические соединения обладают стабильностью за счет повышенной энтропии. В них есть огромное количество структурных вакансий, которые при высоких температурах разупорядочиваются, что позволяет достаточно легко закалить высокотемпературное состояние соединения, сохранить структуру его кристаллической решетки и соответственно свойства. Уникальные характеристики ВЭСов также обусловлены высокой энтропией, благодаря которой в этих системах стабилизируется высокосимметричная фаза и предотвращается образование более низкосимметричных интерметаллидов, негативно влияющих на пластические свойства сплавов.

— Как начались исследования ВЭСов и чем они интересны?
— Термин «высокоэнтропийные сплавы» появился около 20 лет назад в работе тайваньского ученого Йе. Он и другие специалисты обнаружили, что при увеличении числа компонентов в сплаве возникает новая высокоэнтропийная неупорядоченная структура и формируется фаза с высокой симметрией, которая объединяет химические элементы в одну кристаллическую решетку. Обычно в ВЭСе содержится не менее пяти разных химических элементов, атомные радиусы которых не очень отличаются друг от друга. Такие сплавы называются твердым раствором. Один из самых известных ВЭСов — сплав Кантора, содержащий в одинаковых количествах атомы кобальта, хрома, железа, марганца и никеля и названный по имени английского ученого, который его создал и исследовал вместе с коллегами.
Обычно ВЭСы получают высокотемпературным способом: при помощи дуговой плавки, плазменного распыления или лазерной наплавки, при этом температура в реакторах превышает 3 000о. Энтропия, имеющаяся в сплаве, при охлаждении до комнатной температуры позволяет сохранить его структуру и свойства, характерные для высокотемпературного состояния.
Высокоэнтропийные сплавы демонстрируют уникальные свойства при механических нагрузках, воздействии магнитных полей и радиации. С недавних пор в мире и в России стали бурно развиваться исследования ВЭСов, начался, можно сказать, «высокоэнтропийный бум», подобный сверхпроводниковому буму 80-х годов прошлого века.
Сегодня спектр ВЭСов существенно расширился. К чисто металлическим системам добавились карбидные, нитридные, оксидные. В последнее время планируется синтезировать сульфидные ВЭСы.
— Какие исследования вы проводите в рамках грантов РНФ?
— Большинство известных высокоэнтропийных сплавов — это метастабильные системы, т.е. они стабильны при не очень больших возмущениях. В условиях интенсивной эксплуатации при повышенных температурах их кристаллическая структура может трансформироваться, формируются дополнительные фазы, изменяются размеры зерен, перераспределяются химические элементы внутри фаз — и в результате сплав теряет свои полезные свойства. Поэтому необходимо систематически исследовать термическую стабильность ВЭСов, а также кинетику протекающих в них релаксационных процессов. Участники проекта РНФ под руководством С.А. Упорова прослеживают эволюцию структуры жаропрочных высокоэнтропийных сплавов титан-цирконий-гафний-ниобий-ванадий при температурах 500–1000K с привлечением разнообразных методик и передового оборудования, анализируют влияние различных факторов (элементного состава, стехиометрии, температуры отжига и экспозиции) на структурообразование, структурную и фазовую стабильность. Полученные результаты позволят оценить перспективы применения ВЭСов в качестве жаропрочных конструкционных материалов.
В рамках другого, международного, проекта мы совместно с китайскими учеными из Пекинского университета исследуем новые высокоэнтропийные сплавы на базе тяжелых редкоземельных металлов, а также немагнитных элементов (иттрия или скандия) с различными атомными радиусами. Цель — сформировать кристаллическую структуру материалов с разной плотностью дефектов и проследить влияние размерного фактора на структурообразование редкоземельных ВЭСов и их функциональные характеристики. Особенно нас интересуют магнетокалорические свойства этих материалов.
Магнитное охлаждение, основанное на применении магнетокалорического эффекта, — одна из наиболее перспективных, экологически чистых и бурно развивающихся технологий. Магнитные системы охлаждения обладают целым спектром преимуществ: у них высокий коэффициент полезного действия, отсутствуют токсичные хладагенты, почти нулевые значения шума и вибрации, длительный срок службы, на их основе можно создавать портативные устройства. Развитие технологии магнитного охлаждения требует поиска новых функциональных материалов для создания твердотельных хладагентов.
Результаты наших исследований уже опубликованы в высокорейтинговых изданиях — “Journal of Alloys and Compounds”, “International Journal of Materials Research”, “International Journal of Hydrogen Energy”. В октябре в ИМЕТ УрО РАН пройдет международная конференция по ВЭСам, в которой, мы надеемся, примут участие и российские, и зарубежные специалисты.
Как уже говорилось, сейчас актуальны не чисто металлические ВЭСы, а карбидные, нитридные, оксидные. Раньше металловеды обходили эти системы стороной, поскольку их многокомпонентность была напрямую связана с многофазностью, а образование интерметаллидных фаз приводило к ухудшению свойств сплава. Сейчас появилась возможность исключить многофазность при сохранении многокомпонентности сплава. И мы активно работаем в этом направлении.
— Как происходит поиск перспективных ВЭСов? 
— Поначалу составы сплавов подбирались эмпирическим путем, но теперь, когда ВЭСы включают множество компонентов и количество вариантов растет по экспоненте, без предварительных прогностических расчетов не обойтись. Экспериментальный путь не только сложен, но и очень дорог. Поэтому сначала идет поиск с помощью компьютерного моделирования. Цель его — выяснить, какие химические элементы и в каком соотношении нужно взять, чтобы получить желаемый однофазный продукт. Помогает искусственный интеллект: создается нейронная сеть, которая обучается предсказывать структуру и свойства будущих ВЭСов за достаточно короткое время. Мы проводим эти расчеты на суперкомпьютере «УРАН» в Институте математики и механики УрО РАН. Из 10 сотрудников лаборатории высокоэнтропийных сплавов двое занимаются компьютерным моделированием.
— Пока исследования ВЭСов носят в основном фундаментальный характер. Каковы перспективы перехода в практическую плоскость?
— Сейчас ученые понимают, что достижение прикладных результатов требует не только гораздо более емких научных изысканий, но и поиска конкретных ниш, где могут использоваться ВЭСы — весьма дорогие сплавы. Такой нишей может стать изготовление покрытий и материала для датчиков, поскольку для этого достаточно небольших количеств сплава.
Идет поиск ВЭСов, у которых высокая твердость будет сочетаться с необходимой пластичностью. На основе таких сплавов специалисты надеются создать новый класс сверхтвердых материалов, которые можно применять в авиационной и космической промышленности.
Наши высокоэнтропийные сплавы отличаются хорошими механическими, магнитными, электрическими свойствами и способны в больших количествах поглощать водород. Благодаря этому ВЭСы могут быть материалом для мембран, эффективно очищающих водород от других газов, — таким образом можно получать чистый водород, а это очень перспективно для «зеленой» водородной энергетики.
Если же говорить в целом, то массовое производство ВЭСов станет выгодным, когда их свойства не будут повторять свойства других сплавов, поэтому нам предстоит еще долгая и интенсивная работа.
Беседовала
Е. Понизовкина
Фото на с.3:
академик А.А. Ремпель;
молодые сотрудники Института металлургии УрО РАН, исследующие высокоэнтропийные сплавы. Слева направо: аспирант
Александр Вараксин, кандидат физико-математических наук Сергей Упоров, магистрант
Надежда Пикалова, аспирант Илья Балякин.
Год: 
2021
Месяц: 
сентябрь
Номер выпуска: 
17
Абсолютный номер: 
1237
Изменено 08.09.2021 - 15:49


2021 © Российская академия наук Уральское отделение РАН
620990, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 91
makarov@prm.uran.ru +7(343) 374-07-47