Паспорт проекта

Название проекта

Разработка аморфных и нанокристаллических сплавов на основе железа для использования в качестве магнитных, конструкционных и антирадиационных материалов и покрытий

Лаборатория "Перспективные энергоэффективные материалы"

Руководители проекта

профессор Акихиса Иноуэ (Akihisa Inoue)

Цели проекта

Создание исследовательской лаборатории мирового уровня, направленной на получение новых неравновесных функциональных материалов и покрытий на основе железа с целью расширения области их применения.

Задачи проекта

Проект направлен на создание инфраструктуры, позволяющей добиться существенного развития в исследовании и разработке новых аморфных и нанокристаллических сплавов на основе железа с улучшенными функциональными характеристиками для применения в качестве магнитных сердечников, твердых покрытий и антирадиационных материалов.

Уникальность проекта

Выполнение заявляемого проекта позволит получить: (1) новые магнитомягкие аморфные сплавы на основе железа с высокой намагниченностью насыщения (более 1,7 Тл), обладающие высокой коррозионной стойкостью, что повысит энергоэффективность и долговечность приборов; (2) новые нанокристаллические сплавы на основе железа с высокой намагниченностью насыщения (выше 1,8 Тл) и хорошей технологичностью и пластичностью при изгибе, что позволит снизить потери в сердечнике трансформаторов; (3) объемные металлические стекла с высокой стеклообразующей способностью и покрытия на основе железа, обладающие высокой механической прочностью, коррозионной стойкостью и износостойкостью; (4) материалы на основе железа с ультравысокой коррозионной стойкостью, твердостью, износостойкостью и стойкостью к повреждению радиационным облучением.

Актуальность проекта

В течение нескольких последних десятилетий было разработаны большое количество современных материалов для удовлетворения постоянно растущих требований и потребностей промышленности. Они обладают высокой твердостью, прочностью, жесткостью, низкой плотностью, высокую стойкость к коррозии, возможностью использования при повышенных температурах. Получение данных материалов возможно с использованием технологий получения неравновесного состояния, таких как быстрое затвердевание, механическое легирование, распыление, лазерная обработка и различные методы осаждения паров. Металлические стекла являются одними из таких материалов, имеющих интересную комбинацию свойств и нашедших применение в различных отраслях промышленности. Металлические стекла на основе железа являются крайне привлекательными из-за их мягких магнитных свойств с довольно высокой намагниченностью насыщения, высоким электросопротивлением и низкой стоимостью материала, по сравнению с другими металлами. ОМС, как известно, обладают более гораздо более высокой прочностью, твердостью и износостойкостью по сравнению со своими кристаллическими аналогами. Таким образом, в виду их низкой стоимости, ОМС на основе железа могут быть применены и в конструкциях. Однако ОМС на основе железа имеют недостаток  -  низкую пластичность, необходимую при практическом применении и поэтому данное исследование будет также направлено на разработку ОМС, которые обладают одновременно обладают высокой прочностью и пластичностью.

Оборудование

1. Вакуумная дуговая печь ARC 200. 

2. Установка для спиннингования расплава DVX-II. 
3. Вибрационный магнетометр VSM-130. 
 4. Пермеамметр AMH-1M-S. 
5. Универсальная испытательная машина Zwick Z250. 
6. Машина для испытаний на малоцикловую усталость Zwick Amsler HB250. 7. Световой микроскоп. 
8. Анализатор импеданса.

Мероприятия научного коллектива

Zanaeva E.N., Tsarkov A.A., Churyumov A.Yu., Luzgin D.V. Investigation of the crystallization kinetic and phase transformation of the magnesium-based metallic glasses. NANONG 2015. Antalia, Turkey, 29 Oct – 1 Nov.

Партнёрство и сотрудничество

Коллектив проекта ведет активное сотрудничество с исследователями Университетов Тохоку и Джосай (Япония).

Первые разработки ОМС на основе железа были основаны на бинарных Fe-B сплавах, в виде тонких лент, полученных спинингованием расплава. Данный сплав показывает крайне высокую прочность 3630 МПа, что превосходит другой аморфный сплав на основе Fe (Fe80P16C3B1), с пределом прочности 2440 МПа и другие никелевые сплавы серии METGLAS. Сплав Fe80B20 был известен как прочнейшее металлическое стекло разработанное в середине 1970-х годов, и данная ситуация сохранялась до начала двадцать первого века, до тех пор пока не был открыт в 2004 году сплав Co43Fe20Ta5,5B31,5 с пределом прочности 5000 МПа. Таким образом, история развития ОМС на основе железа была очень тесно связана с высокой механической прочностью стекол на основе железа.

Важным аспектом данного исследования является улучшение пластичности данных сплавов, так стеклообразные сплавы на основе Fe типа метал-металлоид являются природно хрупкими из-за наличия ковалентной связи между парами метал-металлоид. Для эффективного использования ОМС, также необходимо будет исследовать их химическое поведение. Коррозионное поведение ОМС очень важно для  использования  в агрессивных средах (высокие температуры, окислительная атмосфера  и др.). Коррозионные свойства также важны в случае применения ОМС в медицине. Коррозионную стойкость лент произведенных методом спинингования расплава, оценивали начиная с 1974 года. Было показано, что хромосодержащие ленты сплава Fe80-xCrxP13C7 обладают гораздо более высокой коррозионной стойкостью, чем кристаллические Fe-Cr сплавы. В то время как кристаллические сплавы Fe-Cr коррозируют со скоростью 0,5-1 мм/год, аморфные сплавы Fe–Cr–P–C не показывают измеримой скорости коррозии при одинаковых условиях выдержки в 1Н растворе NaCl при 30 оС. Другое важное наблюдение, что минимальное количество хрома в составе для достижения данного результата в аморфном состоянии 8%, в то время как в кристаллическом требуется 12%.

Магнитные свойства материалов имеют фундаментальное значение для некоторых применений в электрической и электронной промышленностях. Очень большое количество исследований было проведено на лентах системы Fe–C–P, полученных спинингованием расплава. Поскольку основным применением лент является пластины в трансформаторе, благодаря их превосходным магнитомягким свойствам, поэтому большое количество усилий при выполнении проекта будет направлено на разработку магнитомягких материалов на основе ОМС на основе Fe. Тем не менее важное различие в исследовании спинингованных лент и ОМС является то что системы метал-метал и метал-металлоид были исследованы только в категории тонких лент, а категории ОМС были исследованы только системы метал-металлоид. Бросается в глаза отсутствие исследований ОМС систем метал-метал. Именно этому направлению будет также посвящено исследование Природа магнитных явлений в ОМС близка к природе явлений в спинингованных лентах. И в самом деле для некоторых составов ОМС, некоторые исследователи изучали на лентах полученных спинигованием. Некоторые незначительные различия были отмечены в магнитных свойствах лент и объемных стержней, особенно в тех свойствах, которые зависят от структурной релаксации, например, магнитострикции и коэрцитивной силы.

Важными особенностями мягких магнитных свойств сплавов на основе Fe- и Co-, (Fe - ТМ - (Р, С, В, Si) и (Fe, Co) -B-Si-Nb) приведены ниже. Fe-Co ОМС обладают уникальным сочетанием очень низкой коэрцитивной силой и высоким электрическим сопротивлением, комбинация, которая не может быть получена для любого другого вида магнитомягкого металлического материала. На основании детальных исследований аморфных сплавов полученных спинингованием расплава, было предложено, что существует связь между коэрцитивной силой и внутренними напряжениями, низкую коэрцитивную силу получают, когда внутренние напряжения низкие. Следовательно в ОМС возможно получение низкой коэрцитивной силы. Результаты, полученные на сегодняшний день показывают, что для достижения высокой намагниченности насыщения, необходимо иметь максимально высокое содержание Fe. Следуя этому правилу в проекте будут исследованы сплавы с повышенным содержанием железа. Однако известно, что полностью аморфная фаза была получена только тогда, когда содержание В было не менее 10,5% ат.

Быстрый прогресс в разработке ОМС позволило использовать эти новые материалы в различных областях. Например, ОМС на основе Zr, Ti, Ре, Cо, Ni и Cu уже используются для магнитного зондирования, химических и конструкционных применений. В частности, было отмечено, что типичные области применения: линейные приводы, магнитные сердечники, дроссельные катушки и высокочастотные магнитные защитные листы, топливные ячейки, спортивные принадлежности, высокоточные оптические детали, микрошестерни, диафрагмы для сенсоров давления, детали самолетов, пружины и др.

На основе этих современных тенденций применения ОМС, проект будет сосредоточен на применении ОМС на основе железа. Основное применение ОМС на основе железа, основано на их хороших мягких магнитных свойствах и высокой прочности.

Магнитомягкие аморфные сплавы системы Fe–TM–P–C–B–Si были успешно коммерциализированы компанией Liqualloy. Область применения этих материалов является изготовление дросселей катушек преобразователей электрического тока, экранирующих листов и др. Сердечники из аморфных материалов обладают хорошими магнитными свойствами, такими как почти постоянной относительной проницаемости в широком диапазоне частот до МГц; хорошей линейной зависимостью с небольшим наклоном между проницаемостью и смещением поля постоянного тока; и значительно меньшими потерями в сравнении с сплавами системы Ni–Fe–Mo (Sendust). Низкие потери в сердечнике обусловлены снижением потерь на вихревые токи в результате гораздо более высокого электрического сопротивления (168 мВ см) у Liqualloy, (82 мВ см) у Sendust. Сердечник из сплава Liqualloy значительно лучше по характеристикам, чем сплав на основе системы Mn–Zn.Кроме того, по сравнению с Mn-Zn, мощность индуктора из сплава Liqualloy показывает лучшие характеристики при температурах до 393 К.

Высокие значения прочности, низкие значения модуля Юнга, широкая область упругой деформации и высокая заполняемость формы в интервале переохлажденной жидкости это важнейшие характеристики аморфных материалов, которые позволяют использовать их в качестве функциональных материалов. Широкий интервал переохлажденной жидкости предоставляет отличную возможность для формирования сложных геометрических форм. Это связано с тем, что течение металла в определенном температурном диапазоне, проявляет признаки течения Ньютоновской жидкости. Это свойство аморфных материалов было использовано для получения изделий сложной геометрической формы (шестерни, пружины и др.), при этом размеры полученных изделий намного меньше, чем размеры изделий, получаемые традиционными способами. Этому направлению также будет посвящена значительная часть исследований заявляемого проекта. 

1.       Новая исследовательская лаборатория мирового уровня.

2.       Новые составы сплавов с аморфной и нанокристаллической структурой на основе железа с улучшенным комплексом свойств.

3.       Технологии получения сплавов и способы их термодеформационной обработки.

4.       Патенты и ноу-хау, защищающие составы и технологии получения сплавов на основе железа с улучшенным комплексом функциональных свойств.

5.       Рекомендации по промышленному внедрению разработанных составов и технологий.   

1.       A.A. Tsarkov, A.Yu. Churyumov, V.Yu. Zadorozhnyy, D.V. Louzguine-Luzgin.         High-strength and ductile (Ti–Ni)-(Cu–Zr) crystalline/amorphous composite materials with superelasticity and TRIP effect //        Journal of Alloys and Compounds     2016, V. 658, Pp. 402-407.

 

1. Акихиса Иноуэ, Dr. of Science, PhD, Заведующий лабораторией.

2. Солонин Алексей Николаевич, к.т.н., Заведующий кафедрой.

3. Чурюмов Александр Юрьевич, к.т.н., Доцент.

4. Просвиряков Алексей Сергеевич, к.т.н., С.н.с.

5. Поздняков Андрей Владимирович, к.т.н., Доцент.

6. Базлов Андрей Игоревич, Аспирант НИТУ «МИСиС».

7. Царьков Андрей Андреевич, Аспирант НИТУ «МИСиС».

8. Лузгина Лариса Владимировна, Инженер.

9. Занаева Эржена Нимаевна, Инженер.

10. Попкова Ирина Сергеевна, Аспирант НИТУ «МИСиС».

11. Хажина Диана Маргановна, Студент НИТУ «МИСиС».

12. Войтенко Анна Григорьевна, Студент НИТУ «МИСиС».

13. Черешнева Анастасия Андреевна, Студент НИТУ «МИСиС».

Наши проекты

Последние комментарии



Яндекс.Метрика