Ф.Р. Капсаламова, С.А. Красиков, А.Ж. Терликбаева, Е.М. Жилина, А.М. Алимжанова. 

АННОТАЦИЯ

Для определения термохимических характеристик: энтальпии, молярной теплоемкости и энергии Гиббса образования силицидов, боридов и карбидов в сплаве заданного состава (40Fe–31Ni–16Cr–5Cu–5Si–2B–1C) использованы расчетные методики с использованием смешанных схем GGA и GGA+U (полуэмпирически настроенные обобщенные градиентные аппроксимации). В исследовании использовались три модуля программного пакета HSC Chemistry 6.0 (Metso Outotec, версия 6.0, Эспоо, Финляндия). Во-первых, модуль «Reaction Equation» («Уравнения реакций» – расчет термодинамических функций в интервале температур для индивидуальных веществ или химических реакций) использовался для расчета изменения свободной энергии Гиббса при различных температурах. Во-вторых, для расчета состава каждого химического вещества в равновесном состоянии использовался модуль «Equilibrium Composition» («Равновесные составы» – расчет равновесных составов фаз при наличии обратимых химических реакций). В-третьих, модуль «H, S, C and G diagrams» («Графики термодинамических функций» – построение графиков термодинамических функций) использовался для определения относительной фазовой стабильности соединений в зависимости от температуры в виде диаграмм Эллингема. Результаты термохимического моделирования показали, что значения теплоемкости образования упрочняющих соединений в сплаве увеличиваются по мере повышения температуры. Термодинамические расчеты энтальпий упрочняющих фаз в сплаве показали, что при температуре >1400°С имеет место образование силицидов, боридов и карбидов. При рассмотрении ∆G(T) силицидов наблюдается рост значений энергии Гиббса и стремление к стабильности с повышением температуры. При образовании боридов в сплаве наблюдается сильное поглощение тепла и увеличение энергии Гиббса в исследованном интервале температур. Результаты расчета энергии Гиббса в зависимости от температуры показали, что будут образовываться карбиды Ni₃C, Fe₃C, SiC, B₄C, Cr₃C₂, Cr₄C, Cr₇C₃. Агрегатное и полиморфные превращения происходят с уменьшением значений энергии Гиббса до температуры ~1500°С. С дальнейшим повышением температуры выявлен эффект поглощения тепловой энергии, которое связано с высокой температурой упорядочения структур карбидов. Таким образом, термохимическим исследованием обосновано возможность образования силицидов, боридов, карбидов в сплаве 40Fe–31Ni–16Cr–5Cu–5Si–2B–1C.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: термохимическое моделирование, энтальпия, молярная теплоемкость, энергия Гиббса, сплав

DOI: 10.31857/S0235010623040023

EDN: XHILTR

И. А. Балякин, А. А. Юрьев, Б. Р. Гельчинский. 

АННОТАЦИЯ

В данной работе впервые методом молекулярно-динамического моделирования был рассмотрен процесс расслоения в расплавах системы Bi-Ga. Взаимодействие между атомами задавалось при помощи параметризованного по ab initio данным нейросетевого потенциала (модель DeePMD). Параметризация DeePMD-потенциала была выполнена с использованием алгоритма активного машинного обучения. В ходе молекулярно-динамического моделирования расплавы составов Ga_xBi_100-x где x = 0, 10, …, 90, 100 были охлаждены от 800 до 300 К. Расслоение регистрировалось по характеру изменения парциальной радиальной функции распределения для пары Ga-Bi. Установлено, что DeePMD-потенциал, в исходный тренировочный набор которого не было введено конфигураций, соответствующих расслоенному состоянию, всё равно способен воспроизводить расслоение в системе Bi-Ga. При этом, концентрационный диапазон расслоения, определяемый по молекулярно-динамическому моделированию с DeePMD-потенциалом совпадает с экспериментом. Также удалось верно определить смещение максимума купола расслоения в сторону расплавов, богатых галлием. Тем не менее максимум купола расслоения определен недостаточно точно, как Ga₈₀Bi_20, вместо экспериментального Ga₇₀Bi₃₀. Помимо этого, определенный температурный диапазон купола расслоения шире, чем в эксперименте. Несмотря на это, использование нейросетевых потенциалов в атомистическом моделировании, как это показано в настоящей работе, может быть эффективно использовано для прогнозирования расслоения в бинарных металлических системах.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: молекулярная динамика, расслоение, потенциалы машинного обучения, жидкие металлы.

DOI: 10.31857/S0235010623040096

EDN: ZAQSLF

24 июля исполняется 65 лет доктору химических наук, ведущему научному сотруднику и директору Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН Павлу Александрову Архипову.

Павел Александрович родился в 1958 году в городе Дегтярск Ревдинского района Свердловской области. В 1982 году окончил Уральский политехнический институт им. С. М. Кирова по специальности «Металлургия редких и рассеянных элементов». В этом же году поступил на работу в Институт высокотемпературной электрохимии. В 1991 году защитил диссертацию и получил ученую степень кандидата химических наук, в 2019 году успешно защитил диссертацию на соискание степени доктора химических наук.

Архипов Павел Александрович – крупный специалист в области физической химии и высокотемпературной электрохимии расплавленных электролитов и технологий электрохимических производств, а также автор и разработчик уникальных электролизеров с вертикальным расположением жидкометаллических электродов для получения легкоплавких металлов и сплавов.

Научная группа исследователей под руководством Архипова П.А. разработала методики и получила новые данные о физико-химических свойствах оксидно-хлоридных расплавов. Полученные результаты внесли весомый вклад в понимание природы расплавленных солевых сред и их структуры. Изучены процессы избирательного растворения металлов из сплавов и сделаны научно обоснованные выводы по эффективному разделению свинцовых сплавов. Эти работы легли в основу создания принципиально новой экологически чистой, энерго- и ресурсосберегающей технологии электролитического получения свинца. Для реализации технологии разработана и защищена патентом конструкция электролизера с принципиально новым решением устройства жидкометаллических электродов и их контакта с солевым электролитом.

Павел Александрович провел цикл работ, посвященных исследованию кинетики анодных процессов, протекающих в свинец-содержащих галогенидных расплавах как на жидкометаллических электродах из двойных и тройных сплавов свинца, так и на индивидуальных металлических электродах. Результаты исследований использованы для разработки новой технологии электролитического рафинирования сплавов висмутистого свинца в расплаве.

П.А. Архипов, мудрый и грамотный наставник для молодых ученых, всегда даёт ценные советы и помогает найти выход из трудной ситуации.  За свою исследовательскую карьеру, является автором более 180 научных работ, в том числе 2 монографий и 10 патентов, входит в состав диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций и в состав ученого совета ИВТЭ УрО РАН.

Сердечно поздравляем Павла Александровича от лица коллектива Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН и редакции журнала «Расплавы». Желаем неиссякаемой энергии и творческого вдохновения, успехов и удачи в научной и административной работе, надежного и дружного коллектива для достижения поставленных целей и близких и родных людей рядом.

А.В. Вараксин, С.А. Петрова, А.А. Ремпель. 

АННОТАЦИЯ

Карбиды тугоплавких металлов TiC, ZrC, HfC, NbC и TaC обладают превосходными физическими, химическими и механическими свойствами в качестве материалов для ультравысокотемпературной керамики. Из них наиболее тугоплавкими являются TaC и HfC, температуры плавления которых приближаются к 4000°C. Нельзя не отметить высокую твердость, прочность и износостойкость тугоплавких карбидов. Отсюда вытекает закономерный интерес к высокоэнтропийным карбидам на их основе, которые становятся важным классом новых керамических материалов, поскольку потенциально обладают более совершенными прикладными свойствами. Однако получение таких материалов классическими металлургическими методами является сложной задачей. В современных исследованиях чаще всего образцы высокоэнтропийных карбидов синтезируют, используя дорогостоящее специальное оборудование (методы плазменно-искрового спекания, высокоэнергетические планетарные мельницы и т.п.) и сравнительно длительную подготовку прекурсоров к производству образцов. В настоящей работе описывается новый подход к синтезу многокомпонентного карбида состава (Ti_0.2Zr_0.2Hf_0.2Nb_0.2Ta_0.2)C с помощью электрохимического процесса при температуре, не превышающей 1173 K. Метод основан на явлении бестокового переноса металлов в расплавах солей. После проведения последовательного переноса металлов образец отмывался от электролита, затем спекался в вакуумной печи. По данным рентгенофазового анализа полученный высокоэнтропийный карбид представляет собой однофазный твёрдый раствор с ГЦК структурой. Дифрактограмма синтезированного образца имеет хорошее согласие с расчётной дифрактограммой, полученной по формуле Дебая для суперячейки из 64000 атомов. Компактный образец высокоэнтропийного карбида изготавливался прессованием в пресс-форме таблетки диаметром 10мм с добавлением кобальта в качестве матричного металла. После вакуумного спекания образец подвергался шлифовке для подготовки к исследованию на сканирующем электронном микроскопе. Было выполнено элементное картирование поверхности образца, которое показало удовлетворительное распределение металлов, входящих в состав высокоэнтропийного карбида. Измеренная микротвёрдость образца оказалась меньше, чем встречающиеся значения в публикациях других авторов, что может быть связано с некоторой остаточной пористостью образца.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: высокоэнтропийный карбид, ионный расплав, низкотемпературный синтез

DOI: 10.31857/S0235010623040084

EDN: XEPZTD

А.В. Руденко, О.Ю. Ткачева, А.А. Катаев.

АННОТАЦИЯ

Исследован процесс электролитического получения сплавов Al-Y и Al-Sc в электролите на основе калиевого криолита KF-NaF(10 мас. %)-AlF₃ с криолитовым отношением (КО) 1.5, содержащем оксиды Al₂O₃, Sc₂O₃ или Y₂O₃, в ячейке с вертикальными электродами. Инертным анодом служил сплав Fe-Ni-Cu. Смачиваемый катод представлял из себя графитовую пластинку, покрытую диборидом алюминия. Электролиз проводили при катодной плотности тока 0.2 А/см² и температуре 830°С. Массу добавки Al₂O₃ рассчитывали, исходя из величины выхода по току 60%. Добавку Sc₂O₃ вводили в расплав в количестве 1 мас. %. Массу добавки Y₂O₃ выбирали на основании величины его растворимости в исследуемом расплаве. Для этого было изучено влияние добавок Y₂O₃ на температуру ликвидуса квази-бинарной смеси [KF-NaF(10мас. %)-AlF₃ (КО = 1.5)]–Y₂O₃ и обнаружено, что в отличие от добавок Sc₂O₃, которые понижают температуру ликвидуса криолитового расплава, небольшие добавки Y₂O₃ приводят к ее резкому увеличению. Найдено, что эффективность электролитического восстановления Y₂O₃, по сравнению с алюминотермическим восстановлением, повышается в 10 раз. При прочих равных условиях эффективность электролитического восстановления Y₂O₃ выше, чем Sc₂O₃. Получены сплавы Al-Y и Al-Sc с содержанием РЗМ 0.6 мас. %. Однако, время достижения максимального извлечения иттрия значительно превышает время извлечения скандия. Металлографические исследования полученных сплавов показали наличие интерметаллидов Al₃Sc и Al₂Y. Сделан вывод о принципиальной возможности низкотемпературного электролитического получения сплавов Al-РЗМ в криолитовых расплавах на основе калиевого криолита в вертикальных ячейках с инертным металлическим анодом и смачиваемым катодом.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: криолит, расплавы, криолитовое соотношение, оксид иттрия, оксид скандия.

DOI: 10.31857/S0235010623040060

EDN: XFTAJK

Э.А. Карфидов, Е.В. Никитина, К.Е. Селиверстов, П.Н. Мушников, К.Р. Каримов. 

АННОТАЦИЯ

При переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) предполагается использовать расплав LiCl-KCl (0.49 : 0.51) в инертной атмосфере. Все металлические материалы в данном солевом расплаве крайне подвержены коррозии, к тому же в процессе переработки ОЯТ как жидкая фаза (расплав), так и газовая, насыщаются продуктами распада, которые могут выступать в качестве дополнительных окислителей, усиливая агрессивность среды. В пирохимическую технологию ОЯТ включены операции, такие как мягкое хлорирование, электрорафинирование и металлизация, подразумевающие наличие в расплаве соединений хлоридов редкоземельных металлов (РЗМ) лантана, церия и неодима, а также хлоридов урана (III, IV).

В данной работе было исследовано коррозионное поведение стали 12Х18Н10Т в расплаве LiCl-KCl, содержащем добавки NdCl₃, CeCl₃, LaCl₃, UCl₃ и UCl₄ до 2 мас. %. Коррозионные испытания длительностью 100 часов были выполнены при температуре 500 ^оС в инертной атмосфере аргона.

Было установлено, что наличие хлоридов РЗМ значительно снижает деградацию исследуемой стали. Добавление (РЗМ)Cl₃ проводит к формированию на поверхности образцов соединения (РЗМ)OCl, толщина и сплошность которых увеличивается в следующем ряду: LaCl₃ < NdCl₃ < CeCl₃. Формирование подобного соединения приводит к торможению коррозионного процесса стали 12Х18Н10Т за счет солевой пассивации поверхности.

Добавление в расплав UF₄ вызывает значительную коррозию стали 12Х18Н10Т межкристаллитного типа. Введение в расплав UF₃ приводит к снижению скорости коррозии, что связано с преимущественным взаимодействием трехвалентного хлорида урана с содержащимся в расплаве растворенным молекулярным кислородом, и формированию на поверхности образцов нестехиометрического соединения с кристаллохимической формулой U₃O₇ по данным микрорентгеноспектрального анализа.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: коррозия, хлориды щелочных металлов, отработавшее ядерное топливо

DOI: 10.31857/S0235010623040035

EDN: XFTQCA

В.А. Полухин, С.Х. Эстемирова, Э.Д. Курбанова. 

АННОТАЦИЯ

        Стабильность высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) имеет большое значение для различных приложений во многих областях. Данный обзор затрагивает одно из наиболее актуальных направлений в этой сфере – создание устойчивых многокомпонентных мембранных сплавов с повышенными рабочими характеристиками. В обзоре представлен анализ результатов исследований эквиатомных и неэквиатомныхчетырех- и пятикомпонентных сплавов, которые успешно применяются в качестве мембранных сплавов для водородных технологий. Эффективным методом повышения прочности мембранных сплавов является специальная термическая обработка, в результате которой выделяются вторичные упрочняющие фазы, образуются сверхрешетки. Кроме того, формируется необычная морфология микрозерен в виде кубовидных блоков со скругленными вершинами, сфероидальных и эллипсоидных зерен, состоящих из выделенных в процессе термической обработки упрочняющих термодинамически устойчивых γ’и γ-фаз. Легирование является важным фактором упрочнения ВЭСов. Проведен анализ влияния легирования Ni или Cr на механические свойства ряда многокомпонентных составов. Показано, что легирующие пары Al+Ti или Al+Nb, структурированные в матрицы твердых растворов мембранных сплавов, повышают их прочность, термостабильность, кинетику водорода, стойкость к водородному охрупчиванию. В рамках молекулярной динамики исследован эффект деформационного упрочнения мембранных ВЭС многократной деформацией и установлен механизм создания синергетического эффекта. В обзоре также представлены сравнительно недавно полученные гекса- и пентагональные двумерные структуры, обладающие сверхвысокой прочностью и повышенной термостабильностью и превосходными фотокаталитическими свойствами, такие как дихалькогениды MX₂ и их пентагональные конфигурации, а также двумерные сплавы Cu_1–xNi_x, Ti_1–xNi_x и соединеня Bi_1–xSb_x. Все эти материалы являются эффективными катализаторами диссоциации воды и концентрирования водорода. Особое внимание уделено нейросетевому прогнозированию межатомных потенциалов, как эффективному методу теоретических исследований для поиска новых мембранных ВЭС.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: многокомпонентные ВЭС, аморфные и кристаллические сплавы, мембранные сплавы, кинетика водорода, гидриды, термообработка, фазы B2, B2/L1₂, деформационное упрочнение, морфология, структуры ГЦК и ГПУ, ландшафт-локальные флуктуации, прочность, термостабильность, слоистые композиты, 2D-материалы, пента- и гексагональные координации, фотокатализ, термодинамические расчеты, нейросетевое прогнозирование.

DOI: 10.31857/S0235010623040059

EDN: XHJMAJ

С О Д Е Р Ж А Н И Е 

31 декабря 2022 г. ушел из жиз­ни выдающийся ученый и педагог, профессор кафедры металлургии цветных металлов Ураль­ского федерального университета им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, доктор химических наук, член­ корреспондент РАЕН, Лебедев Владимир Александрович. Стаж работы в УрФУ — более 55 лет.

    Владимир Александрович родился 23.01.1939 г. в г. Новая Ляля Свердловской области. Окончил с отличием физико-технический факультет УПИ в 1962 г. В 1978 г. защитил докторскую диссертацию. На кафедре редких металлов прошел путь от инженера-исследователя, ассистента, доцента до профессора (1980 г.). В 1984 г. приглашён заведовать кафедрой металлургии легких металлов. За 30 лет кафедрой подготовлено более 1600 инженеров, бакалавров и магистров.

Он является автором фундамен­тальных работ по термодинамике сплавов, кинетике и избирательности электрохимических процессов в рас­плавленных средах, получивших меж­дународное признание. Им раскрыто влияние электрокапиллярных явле­ний на кинетику электродных про­цессов в жидкой системе металл-соль. На этой основе предложены ориги­нальные способы интенсификации электролиза импуль­сным током, неравномерной поляризацией жидкометал­лического электрода. Впервые описана поляризация, со­провождающая зарождение твердых фаз на поверхности жидкометаллического катода, показано ее значительное влияние на избирательность электродных процессов. Введено понятие «условный стандартный потенциал сплава», предложены методы его расчета и экспериментального определения, обоснована целесообразность применения в электрохимии. Раскрыто существенное влияние природы солевого и жидкометал­лического растворителей, температуры, режимов элект­ролиза на эффективность разделения элементов, регене­рации облученного ядерного топлива.

Разработанная В.А. Лебедевым технология переработ­ки отходов литий-алюминиевых сплавов в алюминиевых электролизерах внедрена на Ураль­ском, Богословском и Красноярском алюминиевых заводах со значитель­ным экономическим эффектом. Тех­нология переработки уран-алюминиевых сплавов и композиций в солевых расплавах реализована в НИИ атом­ных реакторов (г. Димитровград).

Владимир Александрович — автор 3 монографий, 7 учебных пособий, более 500 научных работ, 60 изобре­тений. Им подготовлено 22 кандида­тов наук, 6 из которых стали докто­рами наук. Он активно привлекал к научно-исследовательской работе сту­дентов.

Владимир Александрович участвовал в об­щественной деятельности, исполнял обязанности пред­седателя месткома УПИ, 5 лет (1980—1985) руководил партийной организацией этого вуза, избирался депута­том районного и городского Советов. Он удостоен знака Минвуза СССР «За отличные успехи в работе», награж­ден медалями «За доблестный труд», «Ветеран труда», ему присвоены звания «Почетный работник высшего образо­вания России», «Заслуженный работник высшей школы Российской Федерации». Но главная его награда — это благодарная память всех, кому по­счастливилось работать вместе с этим замечатель­ным человеком.

Сотрудники кафедры металлургии цветных металлов, редколлегия и сотрудники редакции нашего журнала выражают искренние соболезнования родным и близким Владимира Александровича.