Разработкой недорогого сплава с памятью формы для работы в Арктике и космосе занимается научный коллектив лаборатории физики высокопрочных кристаллов Сибирского физико-технического института Томского государственного университета. Физики исследовали 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. В рамках работы над проектом при поддержке гранта РНФ к ранее созданному сплаву CoNiAl было добавлено железо. Полученные результаты показали, что легирование железом расширяет диапазон рабочих температур на 50 градусов со смещением в низкотемпературную область. Кроме того, сплав CoNiAlFe выдерживает рабочую нагрузку в 1,5 раза выше, чем CoNiAl.

Результаты исследования циклической стабильности сверхэластичности монокристаллов CoNiAlFe опубликованы в одном из самых крупных в мире открытых электронных репозиториев научных статей и препринтов Social Science Research Network.

Работа ученых лаборатории направлена на усовершенствование и создание новых технических возможностей для освоения космического пространства и северных широт, в том числе российской 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 ТГУ – одна из немногих в мире, где занимаются ростом и исследованием монокристаллов. Проводимые в лаборатории 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 это свойство в последующих циклах. Это называется циклической стабильностью двустороннего эффекта памяти формы. Такая особенность сплава позволяет 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.

Старший научный сотрудник лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ Анна Ефтифеева

Как объясняет руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ Анна Ефтифеева, на втором этапе проекта проводились 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 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 ТГУ планируют исследовать циклическую и термомеханическую стабильность 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 устойчивее к разрушению – в них нет границ зёрен, а вот 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, что 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.

Сотрудники лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ

Проект «Разработка физических основ повышения термомеханической и циклической стабильности сверхэластичности в среднеэнтропийных сплавах CoNiAl(Fe) для применения при экстремально высоких и низких температурах» ведется при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-79-10093. 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.

Добавим, что на днях руководитель проекта Анна Ефтифеева представила эту научную разработку на одной из крупнейших профильных конференций – VI международной конференции «Сплавы с памятью формы» (Москва).

В этом мероприятии, а также в Международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии», который состоялся в августе в Витебске, участвовали руководители и других проектов и госзадания, выполняемых на базе лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ. Их выступления были посвящены современным исследованиям, касающимся разработки сплавов с памятью формы, их структуры, физических, механических и функциональных свойств, а также явлений, связанных с такими сплавами.

Участниками конференций стали заведующий лабораторией физики высокопрочных кристаллов, профессор ТГУ, доктор физико-математических наук Юрий Чумляков; главный научный сотрудник, доктор физико-математических наук Ирина Киреева; главный научный сотрудник, доктор физико-математических наук Елена Панченко; старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Екатерина Тимофеева; старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Анна Ефтифеева; научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Антон Тагильцев; инженер-исследователь Мария Жердева; инженер-исследователь Ирина Курлевская; инженер-исследователь Максим Дмитриенко.

Для справки: 

Лаборатория физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ под руководством профессора Юрия Чумлякова много лет занимается созданием монокристаллов на основе сплавов железа, кобальта и никеля, обладающих эффектом памяти формы. Научный коллектив лаборатории – один из мировых лидеров в данной области. Так, ученые ТГУ первыми в мире получили структуру высокоэнтропийных сплавов, обеспечивающую им способность к деформации и восстановлению исходной формы до 15%.

Исследования, о результатах которых ученые лаборатории рассказали на последних конференциях, поддержаны грантами:

• Грант Российского научного фонда № 23-19-00150 «Разработка научных основ конструирования многокомпонентных двухфазных (β+γ)-сплавов Гейслера на основе модификации зеренной структуры и инжиниринга границ зерен для создания эффективных силовых приводов и твердотельных холодильников», руководитель Панченко Елена Юрьевна.

• Грант Российского научного фонда № 24-19-00242 «Разработка функциональных материалов с высокотемпературными эффектами памяти формы и сверхэластичности на основе многокомпонентных сплавов Гейслера», руководитель Тимофеева Екатерина Евгеньевна.

• Грант Российского научного фонда № 25-19-00023 «Исследование эффекта памяти формы при ГЦК-ГПУ мартенситном превращении в моно- и поликристаллах сплавов Fe-Mn-Cr-Ni-Si, упрочненных атомами углерода и наноразмерными частицами VC», руководитель Киреева Ирина Васильевна.

• Грант Российского научного фонда № 25-19-00024 «Исследование ГЦК-ОЦТ термоупругого мартенситного перехода, эффекта памяти формы и сверхэластичности в моно-, олиго- и поликристаллах высокопрочных и неэквиатомных высокоэнтропийных сплавов FeNiCoAlX(X=Ta, TaB, Ti, TiB)», руководитель Чумляков Юрий Иванович.

• Государственное задание Министерства науки и высшего образования РФ № FSWM-2024-0007 «Исследование механизмов термоупругих мартенситных превращений, эффектов памяти формы и сверхэластичности в новых высоко- и среднеэнтропийных высокотемпературных и высокопрочных монокристаллах», руководитель Чумляков Юрий Иванович.