ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ по теме: РАЗРАБОТКА НОВЫХ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ МАТЕРИАЛОВ C БОЛЬШИМ СОДЕРЖАНИЕМ УГЛЕРОДА в период с 12 мая 2022 г. по 31 декабря 2022 г. (заключительный)

Одна из причин растущего интереса к высокоэнтропийного (ВЭС) сплавам заключается в том, что многие из них обладают привлекательными свойствами (превосходная жаропрочность, высокая стойкость к окислению, хорошие коррозионные свойства, высокая радиационная стойкость), возможностями для сочетания функциональных свойств и обеспечивают бесконечное композиционное пространство для дизайна материалов. В ходе выполнения проекта достигнуты следующие результаты: С помощью методов машинного обучения (ML) межатомных потенциалов (MLIP) проведено моделирование свойств ОЦК β-Ti при конечных температурах. Была спрогнозирована слабая температурная зависимость модулей упругости при высоких температурах, аналогичная поведению GUM-сплавов на основе Ti. Для ОЦК сплавов системы Ti-V из первых принципов исследованы упругие свойства в зависимости от концентрации V, включая область механической нестабильности ОЦК-фазы. Продемонстрировано, что механическая стабилизация ОЦК Ti-V сплавов происходит при 18 ат. % V, что близко к экспериментальному значению начальной концентрации однофазного ОЦК сплава при 22 ат. % V. Показано, что модули Юнга в окрестности механической неустойчивости имеют низкие значения и высокую степень анизотропии. С помощью алгоритмов машинного обучения проведена оптимизации термодинамических и упругих свойств многокомпонентных сплавов на основе Fe и элементов Cr, Ni, Mo, Al, W, V и Nb. Проанализированы различные дескрипторы, которые обеспечивают надежную работу моделей машинного обучения. Спрогнозированы составы термодинамически стабильных сплавов с улучшенными механическими свойствами. Проведены квантово-механические расчеты твердых растворов в системе W-C с концентрацией углерода до 4.48 ат.%. Продемонстрировано, что конфигурация с расположением атомов углерода с максимальным тетрагональным искажением решетки является наиболее стабильной структурой. Показано, что углерод снижает модуль Юнга и увеличивает пластичность вольфрама. Проведено первопринципное моделирование свойств ВЭС HfNbTiVZr и TaNbTiCrW эквиатомного состава для изучения связи между электронной и атомной структурами многокомпонентных сплавов. Было обнаружено, что в большинстве рассматриваемых случаев перенос заряда следует тенденциям электроотрицательности и приводит к уменьшению несоответствия размеров между элементами. Методами машинного обучения были построены модели для предсказания атомных радиусов в ВЭС. Были изучены энергетические и структурные эффекты растворения атомов углерода в тетраэдрических и октаэдрических позициях в ВЭС HfNbTiVZr и TaNbTiCrW. Полученные результаты демонстрируют, что расположение атомов углерода в тетраэдрических порах нестабильно, а размещение в предпочтительных октаэдрических позициях дает большой разброс значений энергии растворения. Показано, что внедрение атомов углерода в межузельные позиции приводит к большим структурным релаксациям, которые выходят за пределы 1 и 2 координационной сферы примеси. Проведено ab initio моделирование свойств ВЭС TiTaNbW эквиатомного состава для исследования образования сегрегаций в поверхностном и приповерхностном слоях. Было показано, что титан наиболее склонен к поверхностной сегрегации в данном сплаве, тогда как для вольфрама выгоднее всего находиться в объеме. Обнаружено, что изменения энергии при обмене атомов в этом случае малы и сравнимы с изменениями энергии при обмене атомов в объеме ячейки, что может указывать на незначительность роли приповерхностного слоя в образовании сегрегаций на поверхности. Исследованы свойства FeCoNiV(1-x)Al(1+x) и FeCoNiV(1-x)Cu(1+x) сплавов для возможного применения в качестве магнитокалорических (МК) материалов. Было проанализировано влияние изменения соотношения концентраций V/Al и V/Cu на фазовую структуру и магнитные обменные взаимодействия. Показано, что замещение V на Al или Cu в сплавах FeCoNiV увеличивает магнитный момент сплавов и, возможно, температуру магнитного перехода для обеих систем. Сплавы Fe-Co-Ni-V-Cu стабилизируются в ГЦК фазе, которая более пластична, и имеют больший магнитный момент, чем Fe-Co-Ni-V-Al, что делает их лучшими кандидатами для МК применений. Были исследованы термодинамические свойства ОЦК сплавов Fe-Co-Ni-X-С (X=V, Al). Для всех сплавов была рассмотрена одиночная примесь внедрения – углерод, который занимает позиции в октаэдрических порах. Для всех сплавов обнаружено сильное ферромагнитное взаимодействие Fe, Co и Ni. Показано, что наличие углерода в качестве примеси внедрения практические не влияет на стабильность FeCoNiAl соединения, тогда как для FeCoNiV добавление углерода может повлиять на кристаллическую структуру сплава.