Ученые Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ провели серию экспериментов по изучению фазовых превращений в железо-галлиевых сплавах — галфенолах. В совместных с исследователями из Университета науки и технологий МИСИС и Института материаловедения Технического университета «Фрайбергская горная академия» была обнаружена фаза Fe₁₃Ga₉, проведена интерпретация ее структуры и впервые была исследована область существования, то есть условия, при которых она выделяется и исчезает. Целью исследования было определить условия, при которых возможно существование такой фазы в сплаве, когда он перестает проявлять свойство гигантской магнитострикции – особой реакции на магнитное поле. Это позволит в будущем получать материалы с заданной структурой и определять, как эта структура влияет на их свойства.

Материалы с гигантской магнитострикцией используются для производства устройств передачи звука, в том числе ультразвука, и датчиков магнитного поля. Они применяются также в механизмах микроперемещений и нажимных устройств, линиях задержки звуковых и электрических сигналов, линейных и ротационных двигателях, магнитомеханических реле и прочих устройствах из области радиотехники и электросвязи.

Магнитострикция – это явление мгновенного удлинения либо сжатия металла под воздействием магнитного поля. Если магнитное поле пульсирует, металлическое изделие «пульсирует» вместе с ним. Существуют металлы, которые проявляют магнитострикцию на порядки выше, чем другие – это явление называется гигантской магнитострикцией (ГМ). Она свойственна, например, редкоземельным металлам, но не только. Галлий не относится к их числу, однако в начале 2000-х годов стало известно, что добавление галлия к железу может усилить магнитострикционный эффект железа примерно в десять раз. Самый широко используемый в настоящее время материал, проявляющий самый большой коэффициент магнитострикции, — терфенол-Д – состоит из железа, тербия и диспрозия. Его недостатком являются низкие механические свойства: он очень хрупкий и плохо поддается механической обработке. Железо-галлиевые сплавы в этом отношении имеют небольшое преимущество: они все еще уступают в пластичности железу, но гораздо лучше обрабатываются, чем терфенол-Д.

Немаловажным является и то, что они проявляют свойство гигантской магнитострикции при обычной, комнатной, температуре. «Первые сплавы, в которых наблюдался этот эффект, проявляли ГМ при существенно отрицательных температурах. Область применения их была очень ограничена. У Fe-Ga сплавов в этом отношении имеется существенный плюс, и имеется большая перспектива их практического применения», — рассказала старший научный сотрудник ЛНФ ОИЯИ и соавтор исследования Татьяна Вершинина. Она пояснила, что сама природа явления гигантской магнитострикции в железо-галлиевых сплавах пока еще не известна. «Ученые пытаются раскрыть этот секрет. Если мы будем иметь возможность контролировать магнитострикцию, то сможем изготавливать различные устройства с заданными характеристиками. Это основная задача всех, кто занимается этими сплавами», — рассказала она. Исследование ЛНФ было посвящено той части этой задачи, где определялось присутствие в сплавах одной конкретной фазы с химической формулой Fe₁₃Ga₉ и было изучено, как она проявляет себя в разных диапазонах температур.

Фазой называется часть сплава, однородная по химическому составу, кристаллической структуре, физическим свойствам и отделенная от других частей сплава поверхностью раздела, при переходе через который все эти характеристики меняются скачкообразно.

Татьяна Вершинина пояснила, что долгое время фокус внимания научных групп, занимавшихся галфенолами, был направлен на сплавы с относительно малым содержанием галлия — < 30 атомных процентов (ат. %), поскольку было известно, что для системы Fe-Ga характерно наличие двух пиковых значений магнитострикции, соответствующих 19-20 и 27-29 Ga. В нынешнем же исследовании ОИЯИ использовались образцы с 31 – 35 ат. % галлия. «В их изучении есть необходимость, так как при высоких концентрациях галлия возможно выделение метастабильной фазы Fe₁₃Ga₉, которая, согласно теоретическим оценкам, может наблюдаться в этих сплавах при понижении концентрации Ga вплоть до 25 атомных процентов», — сказала ученый. И присутствие в сплаве этой фазы может влиять на быстрое уменьшение магнитострикции при содержании галлия >27 ат. %.

В ЛНФ ОИЯИ на реакторе ИБР-2 была выполнена серия дифракционных экспериментов, целью которых было определение того, в каких диапазонах концентраций и при каких условиях в принципе возможно выделение фазы Fe₁₃Ga₉. Для проведения работ на выведенных пучках реактора ИБР-2 использовался Фурье-дифрактометр высокого разрешения ФДВР. «Дифракция нейтронов позволяет нам исследовать большие объемы материала. Для сравнения, например, рентгеноструктурный анализ позволяет смотреть только тонкий поверхностный слой образца», — добавила ученый. Съемки дифрактограмм проводились in situ – непрерывно в процессе нагрева.

На дифрактометре были проведены сравнительные исследования эволюции фазового состава сплавов Fe-(31-35)Ga as-cast при непрерывном нагреве до 850 °С и последующем охлаждении. Состояние аs-cast означает, что охлаждение расплавленного образца происходило очень быстро.

Было обнаружено, что фазовые превращения в этих метастабильных сплавах протекают похожим образом и состоят из нескольких стадий, характеризующихся определенным набором признаков (пример на Рис. 1).

Рис. 1 Эволюция фазового состава сплавов Fe–31Ga в процессе нагрева и последующего охлаждения

В сплавах с большими концентрациями галлия 32 — 35 aт. % фаза Fe₁₃Ga₉ имелась до проведения эксперимента, и присутствовала в образцах до тех пор, пока они не были нагреты до температуры ~570 °С, после чего происходил переход из Fe₁₃Ga₉ в α-Fe₆Ga₅ (альфа – фазы железа, которые способны существовать при низких температурах). «Интересен тот факт, что для того, чтобы произошел переход, необходимо предварительно уменьшить содержание железа в Fe₁₃Ga₉. Именно по этой причине это фазовое превращение происходит после предварительного выделения богатой железом фазы L12», — прокомментировала Татьяна Вершинина. При этом выяснилось, что фаза Fe₁₃Ga₉ не образуется вновь при охлаждении сплавов с 32-35 aт. % Ga.

В образцах сплавов с содержанием галлия до 31 aт. % в исходном состоянии Fe₁₃Ga₉ отсутствовала, но выделялась в процессе нагрева при ~ 425 °С и существовала, как и в других сплавах, до достижения 570 °С. В отличие от сплавов с большей концентрацией, в сплаве Fe-31Ga интерметаллид Fe₁₃Ga₉ выделяется в процессе охлаждения при ~510 °С, предотвращая выделение α-Fe₆Ga₅.

Согласно теоретическим оценкам, фаза Fe₁₃Ga₉ может присутствовать также в тех областях концентрации галлия и при тех температурах, в которых проявляется гигантская магнитострикция. «Мы полагаем, что выделение интерметаллида Fe₁₃Ga₉ и увеличение его содержания в сплаве несет негативное влияние на свойства сплава, поэтому желательно контролировать ее присутствие в материале, — подчеркнула исследователь. Мы исследовали область ее существования. Полученные результаты могут быть использованы в том числе для подбора тех условий обработки сплавов, которые нужно обязательно соблюсти, чтобы данная фаза отсутствовала в сплаве. Нами было показано, что область ее существования при нагреве со скоростью 2 ˚/мин ограничивается 570 °C. Если мы будем нагревать до еще более высоких температур, мы однозначно от нее будем избавляться».

Статья об исследованиях “Comparative study of structures and phase transitions in Fe-(31-35)Ga alloys by in situ neutron diffraction” авторов Т. Н. Вершинина, Н. Ю. Самойлова, С. В. Сумников, A. M. Балагуров, В. В. Палачева, И. С. Головин была опубликована в 2023 году в Journal of Alloys and Compounds. Исследования железо-галлиевых сплавов как с добавлением, так и без добавлений различных редкоземельных элементов будут продолжены в ЛНФ ОИЯИ после того, как реактор ИБР-2 будет вновь запущен после планового технического обслуживания.