Взаимосвязь физико-химических свойств, локальной структуры и стеклообразующей способности объемоаморфных сплавов Cu-Zr-(Al)

Исследование объемоаморфных металлических сплавов является одним из наиболее обширных и бурно развивающихся направлений современного материаловедения. Среди множества таких сплавов особое место занимают системы на основе Cu-Zr. Указанная система обладает уникальной стеклообразующей способностью: это одна из немногих бинарных металлических систем, для которой удается получить объемоаморфные образцы, к тому же обладающие высокой термической стабильностью и коррозионной стойкостью. Небольшие добавки других металлов (Al, Ni, Ti, РЗМ и др.) приводят к еще большему увеличению стеклообразующей способности, также существует возможность получения объемоаморфных сплавов такого состава с критической толщиной, достаточной для промышленного использования. С момента получения первых объемоаморфных образцов в 2004 г. начался настоящий бум в изучении систем на основе Cu-Zr. Данная тематика стала одной из наиболее обсуждаемых на страницах самых престижных журналов по материаловедению и физике конденсированного состояния, причем интерес к ней неуклонно растет. Анализ результатов, полученных нами за предыдущие три года, а также литературных данных позволяет заключить, что в исследуемом классе наиболее перспективными являются системы на основе бинарного сплава Cu50Zr50. Данный состав обладает наибольшей аморфизующей способностью, и, кроме того, демонстрирует эффект памяти формы за счет обратимого мартенситного превращения интерметаллического соединения CuZr. Сочетание уникальной аморфизующей способности и эффекта памяти формы позволяет получать композитные материалы, представляющие собой аморфную матрицу с включениями B2 фазы CuZr и обладающие повышенной пластичностью. Открытие таких материалов в последние годы привело к новому всплеску исследований систем на основе Cu-Zr. Таким образом, актуальным направлением исследований в данной области является поиск новых многокомпонентных систем на основе сплава Cu50Zr50, изучение их аморфизующей способности и физико-химических свойств, а также исследование механизмов формирования нанокомпозитных материалов в таких системах.В рамках продолжения проекта предполагается провести систематическое исследование перечисленных выше свойств систем, полученных путем замещения компонентов сплава Cu50Zr50 химически подобными элементами или элементами с близкими атомными радиусами, образующими непрерывный ряд твердых растворов с исходным компонентом (с сохранением эквиатомной пропорции суммарного содержания сходных элементов). Например, для замещения меди может быть выбран никель, а для замещения циркония – титан или гафний. Таким образом, предлагается изучить сплавы, полученные по следующему стехиометрическому правилу: (Cu_x Ni_y)_50(Zr_p (Hf,Ti)_q)_50, или (Cu_x Ni_y)_50(Zr_p Ti_q Hf_m)_50 при различных соотношениях составов x/y, p/q ( p/q/m). Основное внимание будет уделяться изучению составов, близких к эквиатомным, то есть, когда значения x/y и p/q (p/q/m) близки к 1, поскольку в этом случае возрастает роль конфигурационной энтропии, за счет которой может существенно повыситься аморфизующая способность системы. Отметим, что при соблюдении соотношения x/y=p/q = 1:1, мы получаем эквиатомные многокомпонентные системы, которые активно исследуются в последние годы в контексте поиска так называемых высокоэнтропийных сплавов (многокомпонетных твердых растворов). Сочетание высокой аморфизующей способности, эффекта памяти формы и возможности формирования выскокоэнтропийных сплавов может привести к созданию новых материалов с уникальными свойствами.В рамках проекта для указанных сплавов будут изучаться аморфизующая способность, механизмы фазообразования, кинетика кристаллизации, а также важнейшие структурно-чувствительные свойства, такие как: электропроводность, температуропроводность, коэффициент теплового расширения и магнитная восприимчивость. Полученные данные будут иметь как фундаментальное значение, так и большую практическую значимость в контексте поиска новых функциональных составов.В рамках проекта также планируется теоретическое изучение медь-циркониевых сплавов методом молекулярной динамики. Результаты, полученные нами в этом направлении за три года, выявили несколько общих проблем, касающихся методологических особенностей моделирования таких сплавов. Здесь можно выделить несоответствие временных и пространственных масштабов, используемых в моделировании и эксперименте, приближенный характер и узкую область применимости межчастичных потенциалов, описывающих взаимодействие между компонентами системы, а также трудности анализа локальной структуры металлических стекол. Перечисленные проблемы затрудняют сравнение модельных расчетов с экспериментальными данными. Планируется детальное изучение влияния перечисленных факторов на результаты моделирования с целью получения более достоверных данных и их сравнение с экспериментом.Анализ и сопоставление полученных в проекте экспериментальных и теоретических результатов позволит сделать важный шаг в понимании механизмов образования металлических стекол и нанокомпозитных структур в сплавах на основе Cu-Zr. Результаты проекта внесут вклад в развитие технологии получения и использования новых функциональных материалов.