Лаборатория "Физико-химические свойства металлических расплавов"

Лаборатория была создана в 1992 г. Ее работу возглавляет доцент кафедры ТОЛП, кандидат химических наук Турчанин М.А. Коллектив лаборатории занимается изучением свойств жидких металлов и сплавов и разработкой теоретических основ металлургических процессов, приводящих к образованию материалов с разнообразными свойствами. Можно условно выделить несколько направлений выполняемых физико-химических исследований.

Первое направление - экспериментальное. Оно включает в себя экспериментальное построение диаграмм фактор - физическое свойство. В качестве рассматриваемых факторов воздействия чаще всего используются состав расплава и его температура, в качестве изучаемых свойств - термодинамические свойства расплавов. С этой целью в лаборатории функционирует высокотемпературная калориметрическая установка, в которой в условиях вакуума или инертной атмосферы проводятся исследования тепловых эффектов при взаимодействии жидких металлов. Рабочий температурный интервал установки составляет 600-1800оС, что позволяет успешно проводить исследования с любыми металлами и сплавами, в том числе и тугоплавкими. Объектами исследований являются сплавы на основе переходных металлов - железа, никеля, кобальта, меди. На сегодняшний день изучено их взаимодействие с такими добавками, как ванадий, хром, марганец, титан, цирконий, гафний, РЗМ.

Второе направление - математическое и феноменологическое моделирование изученных свойств. На этом этапе исследований полученные экспериментально зависимости подвергаются математической и статистической обработке, а также всестороннему теоретическому анализу. Устанавливается их связь с атомными и металлохимическими свойствами компонентов, анализируется характер температурной и концентрационной зависимостей взаимодействия компонентов, дается принципиальное объяснение величинам наблюдаемых свойств.

Третье направление - построение теоретической модели свойств расплавов и моделирование фазовых превращений с их участием. С этой целью привлекаются полученные ранее математические и феноменологические модели, проводится расчет искомых свойств из первых принципов на основе анализа параметров электронного строения объектов исследования - металлов и сплавов. В последние годы достижением нашей лаборатории стало освоение моделирования фазовых равновесий в системах и использование полученных моделей для оценки возможности протекания метастабильных превращений в сплавах в рамках CALPHAD (Calculation of Phase Diagram). Такой подход называется Thermodynamic Assessment of System. Наша научная группа на сегодняшний день входит в число лидеров в его использовании на территории СНГ.

Полученные в лаборатории научные результаты были с успехом использованы для физико-химического анализа многих процессов, связанных с технологией современного металлургического синтеза. Была разработана термодинамическая модель насыщенного расплава кислородом при его взаимодействии с оксидными материалами. На основании этой модели, в сотрудничестве с учеными Института проблем материаловедения НАНУ, решена задача прогнозирования состава контактных слоев при взаимодействии титансодержащих расплавов с оксидными материалами в условиях высокотемпературной пайки. Правильная оценка состава таких контактных слоев необходима для решения важнейших технологических задач - соединение частей в высокотемпературных радиоэлементах, обеспечение прочности при соединении керамических и металлических или двух керамических частей изделий. Причем, в различных случаях контактные слои должны проявлять самые разные свойства: от хорошей проводимости до диэлектричности.

Проведенные в лаборатории исследования и теоретические расчеты позволили объяснить характер взаимодействия компонентов в расплавах, являющихся основой для получения самарий-кобальтовых и самарий-медь-кобальтовых магнитов, обладающих высокой коэрцитивной силой и позволяющих миниатюризировать радиоэлектронные устройства. Многие годы в лаборатории проводилось исследование систем, интерметаллические соединения которых обладают способностью к аккумулированию водорода. Без таких материалов невозможна разработка автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, работающих на принципе накопления энергии Солнца.

Последний цикл работ лаборатории, который проводится в сотрудничестве с сотрудниками Московского Института стали и сплавов и Института проблем материаловедения Академии наук Украины, посвящен разработке термодинамических основ синтеза аморфных металлических материалов методом быстрой закалки из жидкого состояния и поиску термодинамических критериев легкой аморфизации сплавов. Результаты этой работы позволили установить признаки, с использованием которых могут быть прогнозированы наилучшие составы склонных к аморфизации сплавов, в том числе сплавов для получения объемных аморфных изделий методом литья. Разработка теоретических основ современных металлургических технологий невозможна без надежных данных о термодинамических свойствах фаз и фазовых превращениях с их участием. Поэтому коллектив лаборатории гордится созданной в ней базой данных по бинарным и тройным системам меди с переходными металлами.

Результаты проводимых в лаборатории исследований вызывают интерес коллег в стране и за рубежом, способствуют росту научного авторитета ее сотрудников, служат поводом к приглашениям для участия в работе престижных международных конференций, позволили с успехом участвовать в конкурсах на получение международных научных грантов. Установлены тесные связи с крупнейшими научными центрами Украины, России, Германии. Результаты исследований и проведенные нами в рамках проекта Materials Science International Team экспертные оценки систем включены в европейские справочные издания. Тесное сотрудничество с зарубежными коллегами позволило обеспечить лабораторию специальными лицензионными программными продуктами и подключиться к использованию баз данных по термодинамическим свойствам веществ и фазовым равновесиям.

Алексей. Яковлев, пресс-секретарь МФ