Ученые ТГУ улучшили свойства сплава с эффектом памяти формы, добавив железо в состав CoNiAl. Новый материал демонстрирует повышенную прочность и более широкий диапазон рабочих температур, смещенный в низкотемпературную область. Эти улучшения делают его перспективным для создания высоконадежных, компактных и простых в обслуживании компонентов приводов и актюаторов для работы в экстремальных условиях Арктики и космоса, например, в конструкциях ледоколов и космических кораблей.
Научный коллектив лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ исследовал функциональные возможности монокристаллов из кобальта, никеля и алюминия и железа (CoNiAlFe). Этот сплав обладает двусторонним эффектом памяти формы и может использоваться в разных сферах промышленности. В частности он хорошо подходит как материал для комплектующих актюаторов и приводов, которые есть в конструкции ледоколов и космических кораблей. Железо было добавлено к ранее созданному сплаву CoNiAl в рамках работы над проектом при поддержке гранта РНФ. Исследования в рамках проекта позволят разработать недорогой сплав с памятью формы, которые имеет широкий диапазон рабочих температур и стабильные свойства. Уже полученные результаты показали, что легирование железом расширяет диапазон рабочих температур на 50 градусов, смещая температуры в низкотемпературную область. Кроме того, сплав CoNiAlFe выдерживает рабочую нагрузку в 1,5 раза выше чем CoNiAl.
Работа ученых направлена на усовершенствование и создание новых технических возможностей для развития стратегии освоения космического пространства и северных широт, в том числе — российского региона Арктики. Разработка сплавов CoNiAlFe с двусторонним эффектом памяти формы позволит делать компоненты актюаторов и приводов в ледоколах и космических кораблях высоконадежными, но простыми по конструкции, компактными по размеру, легкими в сборке и обслуживании. При этом изготовление сплава экономически доступно для лабораторий и производств. Лаборатория физики высокопрочных кристаллов СФТИ — одна из немногих в мире, которая занимается ростом и исследованием монокристаллов. Проводимые в рамках проекта исследования на монокристаллах являются уникальными — в научной литературе описываются в основном исследования на поликристаллах.
Создание монокристаллического сплава с высокой термомеханической и циклической стабильностью началось в 2023 году. Изначально коллектив проекта создал трехкомпонентные монокристаллы из кобальта, никеля и алюминия. В широком диапазоне температур изделия из такого сплава многократно могут менять размеры — как при механическом воздействии, так и без него, и полностью возвращаться к исходному положению. При этом изделия не сломаются и не потеряют данное свойство в последующих циклах. Это называется циклической стабильностью двустороннего эффекта памяти формы. Такая особенность сплава позволит продлить работу приборов, улучшить их эффективность и работоспособность, исключить аварийные ситуации.
Применять это можно, к примеру, в пожарных системах. При повышении температуры датчик срабатывает, изменив форму и нажав на нужную кнопку, после чего приводится в действие сигнализация.
— На втором этапе проекта мы проводили исследования сплава уже из четырех компонентов — с добавлением железа. Был получен эффект памяти формы в циклах «охлаждение — нагрев» без воздействия нагрузки, и величина обратимой деформации оказалась довольно большой — порядка 6-8%. Этот эффект достаточно стабильный — выдерживает 100 циклов. Легирование железом должно повышать у сплава энтропию смещения, и, как мы предполагаем, вырастает его термомеханическая и циклическая стабильность сверхэластичности. В итоге добавление железа может привести к термомеханической стабильности материала до 200 градусов, тем самым расширяя температурный интервал работы данных сплавов, — рассказывает руководитель проекта — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ Анна Ефтифеева.
Железо делает сплав CoNiAlFe еще и высокопрочным. Так, у CoNiAlFe рабочая нагрузка может быть значительно выше — до 1000 мегапаскалей. Это в полтора раза больше, чем у сплава без железа.
В третьем, заключительном, этапе проекта физики планируют провести исследования циклической и термомеханической стабильности монокристаллического сплава CoNiAlFe. Его свойства проверят на более 100 циклах под воздействием высоких нагрузок и температур.
Также будут проведены аналогичные исследования на поликристаллах CoNiAlFe. Монокристаллы сплава из этих элементов более устойчивы к разрушению — в них нет границ зёрен, а поликристаллы по этим границам могут быстро разрушаться. Это плохо влияет на циклическую стабильность материала — изделия из него могут продемонстрировать обратную деформацию лишь несколько раз или вообще единожды. Однако поликристаллы дешевле, чем моно, а это немаловажно для производств.
— Мы хотим попробовать решить проблему с разрушением поликристаллов, подобрав нужную методику термообработки. Сохранить в них сверхпластичность, как у монокристаллов, очень сложно, но все же хочется добиться такого результата, — добавляет Анна Ефтифеева.
Проект «Разработка физических основ повышения термомеханической и циклической стабильности сверхэластичности в среднеэнтропийных сплавах CoNiAl(Fe) для применения при экстремально высоких и низких температурах» ведется по гранту Российского научного фонда. Руководитель — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ Анна Ефтифеева. В работе также принимают участие другие сотрудники лаборатории: младший научный сотрудник Антон Тагильцев, инженеры-исследователи Элеонора Янушоните, Мария Жердева, Илья Фаткуллин и Ирина Курлевская, а также доцент кафедры физики металлов физического факультета ТГУ Сергей Аникеев.
Результаты исследования циклической стабильности сверхэластичности монокристаллов CoNiAlFe представлены здесь. На днях руководитель проекта Анна Ефтифеева представила эту научную разработку на одной из крупнейших профильных конференций — VI международной конференции «Сплавы с памятью формы» (Москва).