Магнитомягкий высокоэнтропийный сплав Российский патент 2024 года по МПК C22C30/00 H01F1/147 C22B9/20 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии и к разработке магнитомягких сплавов. Сплав на основе CoFeNi, легированный Al и Ti, обладающий высокими механическими и магнитными свойствами, благодаря чему может быть использован в качестве магнитомягкого материала.

С быстрым развитием технологий и высокоточных электрических приборов в современном мире необходимы разработка и создание новых магнитомягких материалов, которые будут превосходить по свойствам, а также будут дешевле и менее энергозатратны при производстве, используемых в настоящее время сплавов. Магнитомягкие материалы обладают большой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой, быстро намагничиваются и быстро теряют магнитные свойства при снятии магнитного поля. Такие материалы на сегодняшний день широко применяются в различных областях. Основные сферы использования магнитомягких материалов являются выработка электроэнергии, преобразование и адаптация мощности, энергосбережение, передача сигналов в широком диапазоне частот, экранирование магнитного поля, а также создание носителей информации, квантовых устройств и многих других технических приборов [Zhao Y.W., Zhang X.K., Xiao J.Q., Submicrometer laminated Fe/SiO₂ soft magnetic composites-an effective route to materials for high-frequency applications, Advanced Materials, 17, (2005), pp. 915-918]. Чаще всего в качестве основного элемента в магнитомягких сплавах используют железо и его соединения с кобальтом, никелем, кремнием и другими металлами, которые обладают высокими магнитными свойствами [Silveyra J.M., Ferrara E., Huber D.L., Monson T.C., Soft magnetic materials for a sustainable and electrified world, Science, 362 (2018), p. 6413]. Однако низкое удельное сопротивление может приводить к большим потерям в сердечнике при вихревых токах, что ограничит их применение в условиях переменного тока или токах высокой частоты.

Одним из перспективных классов современных материалов являются высокоэнтропийные сплавы, в которых нет «базового» элемента, а все составляющие (5 и более элементов) находятся в равных атомных долях или близки к ним [Cantor et al. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys, Materials Science and Engineering A, 2004, v. 375-377, p. 213-218]. Ранее были получены сплавы с улучшенными механическими свойствами, такими как высокая твердость, износостойкость, высокотемпературная прочность, коррозионная стойкость, привлекательные магнитные свойства. Особый интерес стали привлекать системы, в состав которых входят 3 или 4 элемента. Уже известно, что магнитомягкие тройные сплавы CoFeNi обладают высокой намагниченностью насыщения и низком коэрцитивным полем, благодаря чему способны применяться основными элементами электромагнитных устройств, таких как шаговые двигатели, трансформаторы, головки магнитной записи и магнитные датчики [Mardani R., Asrar A., Ershadifar H., The effect of surfactant on the structure, composition and magnetic properties of electrodeposited CoFeNi/Cu microwire, Materials Chemistry and Physics, v. 211, (2018), pp. 160-167]. Все составляющие его атомы проявляют ярко выраженные ферромагнитные свойства, что позволяет сплавам на их основе демонстрировать высокие значения намагниченности насыщения и низкие значения коэрцитивной силы.

В работе (С.И. Касаткин, Н.П. Васильева, А.М. Муравьев. Тонкопленочные многослойные магниторезистивные элементы // Тула. Гриф. 2001. 186 с.) сообщается о магнитомягких тонких пленках из FeNiCo, что может послужить основой данного сплава для рассмотрения. Основным недостатком является сложный процесс получения пленок. Например, в патенте RU 2794924 C1 (дата публикации 25.04.2023) описан способ изготовления пленок из тройного сплава CoFeNi путем их осаждения в гальванической ванне для элементов интегральных микросистем, концентрирующих или экранирующих магнитное поле. Однако полученные пленки имеют ограниченный размер и могут быть применены в качестве покрытия, а не основного материала.

Известен патент RU 2566140 C1 (дата публикации 20.10.2015), в котором рассматривается магнитный наноструктурированный порошок частиц системы CoFeNi. Однако содержание элементов находится не в равновесном состоянии, а именно каждая частица порошка содержит, мас. %: никель 10-20, кобальт 10-50, остальное железо.

Известен патент RU 2269174 C2 (дата публикации 21.01.2006), в котором рассматривали получение магнитомягкого материала на основе железа, тем не менее данный сплав имеет сложный состав и длительный путь получения готового материала.

Известен патент RU 2794652 C1 (дата публикации 24.04.2023), в котором разработали аморфный материал на основе железа и никеля с содержанием элементов в ат. %: Fe 31,6-47,4; Ni 31,6-47,4; В 10-14; Р 3-7; Si 2-4; С 0,5-1,5. Данный сплав получают путем подачи расплава на вращающийся медный диск и формированием тонкой ленты, которая так же ограничивает размеры конечного изделия. Однако в описании отсутствуют конкретные данные о механических свойствах.

В научной статье [Chaudhary V. et al. Magnetic and mechanical properties of additively manufactured Al_x(CoFeNi) complex concentrated alloys //Scripta Materialia. - 2023. - Т. 224. - С. 115149] сообщается, что добавление Al к сплаву CoFeNi, полученного методом прямого энергетического осаждения (direct energy deposition - DED), способствует достижению хороших магнитомягких свойств и высокой микротвердости. Было обнаружено, что эти свойства многократно изменяются из-за состава (содержание алюминия) и сложности микроструктуры. Тем не менее отсутствуют конкретные данные о механических характеристиках сплава.

Технической задачей изобретения является разработка и получение высокоэнтропийного сплава в качестве магнитомягкого материала (отвечающего свойствам магнитомягких сплавов).

Технический результат заключается в получении системы сплавов с соотношением элементов (CoFeNi)_100-2nAl_nTi_n (подстрочные индексы указывают содержание элементов в ат. % n = 3, 5 и 7), которая имеет привлекательную комбинацию высоких механических характеристик (предел текучести в интервале 234 МПа - 775 МПа, предел прочности: 519 МПа - 1018 МПа, относительное удлинение в интервале 62-18 %) и хорошие магнитомягкие характеристики (намагниченность насыщения находилась в интервале от 124 emu/g до 81 emu/g, коэрцитивная сила в интервале 34-13 Oe) в литом состоянии.

Технический результат достигается путем изготовления магнитомягких высокоэнтропийных сплавов (CoFeNi)_100-2nAl_nTi_n (где n = 3, 5 и 7 ат. %).

Новизна и изобретательский уровень заключается в разработке системы сплавов с соотношением элементов (CoFeNi)_100-2nAl_nTi_n (где n = 3, 5 и 7 ат. %), в которых достигается баланс высоких механических характеристик (предел текучести в интервале 234 МПа - 775 МПа, предел прочности: 519 МПа - 1018 МПа, относительное удлинение в интервале 62-18 %) и хорошие магнитомягкие свойства (намагниченность насыщения находилась в интервале от 124 emu/g до 81 emu/g, коэрцитивная сила в интервале 34-13 Oe) в литом состоянии.

Изобретение иллюстрируется следующими материалами:

фиг. 1. Микроструктуры сплавов (а) (CoFeNi)₉₄Al₃Ti₃, (б) (CoFeNi)₉₀Al₅Ti₅, (в) (CoFeNi)₈₆Al₇Ti₇ в литом состоянии и (г) фазовая карта сплава (CoFeNi)₈₆Al₇Ti₇;

фиг. 2. График зависимости напряжения от деформации сплавов (CoFeNi)_100-2nAl_nTi_n (где n = 3, 5 и 7 ат. %);

фиг. 3. Таблица 1. Значения механических и магнитных свойств сплавов (CoFeNi)_100-2nAl_nTi_n (где n = 3, 5 и 7 ат. %).

Изобретение осуществляют следующим образом

Пример 1

Высокоэнтропийный магнитомягкий сплав (CoFeNi)₉₄Al₃Ti₃ был получен методом вакуумно-дугового переплава чистых элементов (99,9 ат. %) в виде слитка весом 40 гр. следующего состава: Co - 13,049; Fe - 12,369; Ni - 12,996; Al - 0,572; Ti - 1,015 (содержание элементов в вес. %). Для достижения однородного распределения элементов слиток переплавляли не менее 5 раз.

Литой сплав имел крупнозернистую бездендритную структуру с размером зерен до 300 мкм (фиг. 1а).

Механические испытания проводятся на испытательной машине фирмы Instron 5882 в атмосфере воздуха в соответствии с ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84, СТ СЭВ 471-88). Металлы. Методы испытаний на растяжение. Сплав обладает пределом текучести 234 МПа, пределом прочности 519 МПа и удлинением до разрушения 62 %. Намагниченность насыщения составляла 124 emu/g, а коэрцитивность 34 Oe.

Пример 2

Сплав (CoFeNi)₉₀Al₅Ti₅, полученный по примеру 1, следующего состава: Co - 12,677; Fe - 12,013; Ni - 12,626; Al - 0,967; Ti - 1,716 (содержание элементов в вес. %). После литья сплав (фиг. 1б) имел однофазную крупнозернистую структуру (средний размер зерен ~ 300 мкм). Предел текучести сплава составил 450 МПа, предел текучести 828 МПа, удлинение до разрушения 54 %. Намагниченности насыщения была равна 107 emu/g, а коэрцитивность 32 Oe.

Пример 3

Сплав (CoFeNi)₈₆Al₇Ti₇, полученный по примеру 1, следующего состава: Co - 12,295; Fe - 11,647; Ni - 12,245; Al - 1,374; Ti - 2,438 (содержание элементов в вес. %).

Литой сплав имел крупнозернистую дендритную структуру с размером зерен до 300 мкм (фиг. 1в). В междендритном пространстве происходило выделение второй фазы, которая была идентифицирована как В2 (фиг. 1г).

Данный сплав показал хорошую комбинацию механических и магнитных свойств. предел текучести 775 МПа, предел прочности 1018 МПа, относительное удлинение – 18 %, а также хорошие магнитомягкие характеристики: намагниченность насыщения - 81 emu/g, коэрцитивную силу - 13 Oe.

Результаты механических испытаний представлены на графике зависимости напряжения от деформации (фиг. 2).

А также, в таблице на фиг. 3, где представлены значения механических и магнитных свойств системы.

Приведенные примеры подтверждают, что заявленный технический результат достигнут - разработана система сплавов(CoFeNi)_100-2nAl_nTi_n (где n = 3, 5 и 7 ат. %), в которых достигается баланс высоких механических характеристик (предел текучести в интервале 234 МПа - 775 МПа, предел прочности: 519 МПа - 1018 МПа, относительное удлинение в интервале 62-18 %) и хорошие магнитомягкие свойства (намагниченность насыщения находилась в интервале от 124 emu/g до 81 emu/g, коэрцитивная сила в интервале 34-13 Oe) в литом состоянии.

Изобретение относится к металлургии, а именно к магнитомягким высокоэнтропийным сплавам. Предложен магнитомягкий высокоэнтропийный сплав (CoFeNi)_100-2nAl_nTi_n, где n = 3, 5 или 7 ат.%, при этом он получен методом вакуумно-дугового переплава. Сплав обладает высокими механическими и магнитными свойствами. 3 ил., 3 пр.

Магнитомягкий высокоэнтропийный сплав (CoFeNi)_100-2nAl_nTi_n, где n = 3, 5 или 7 ат.%, при этом он получен методом вакуумно-дугового переплава.