Фазовые состояния и структурные трансформации в сплавах Fe73Ga27RE0.5 (RE = Dy, Er, Tb, Yb) по данным дифракции нейтронов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Приведены новые данные о фазовых состояниях и структурных превращениях в сплавах Fe73Ga27, легированных Dy, Er, Tb и Yb в количестве ~0.5 ат.%. Структурные данные получены в нейтронных дифракционных экспериментах, выполненных с высоким разрешением и в режиме непрерывного сканирования по температуре при нагреве до 850°С и последующем охлаждении со скоростью ±2 °С/мин. Установлено, что как последовательность образующихся и исчезающих структурных фаз, так и финальное состояние сплава зависят от типа редкоземельного элемента. Фазовые переходы в сплаве с Dy аналогичны переходам в исходном сплаве Fe73Ga27, за исключением финального состояния. Легирование Er и Tb приводит к замещению упорядоченных плотноупакованных фаз L12 и D019 их неупорядоченными аналогами А1 и А3. При легировании Yb образования фаз L12 или А1 и D019 или А3 вообще не происходит. Существование тетрагональных структурных фаз L60 (m-D03) и D022, обнаруженных ранее в аналогичных сплавах в электронно-дифракционных исследованиях, не подтверждено.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. М. Балагуров

Объединенный институт ядерных исследований; Национальный исследовательский технологический университет “МИСиС”

Email: bekarys@jinr.ru
Россия, 141980, Дубна, ул. Жолио Кюри, 6; 119049, Москва, Ленинский просп., 4

Б. Ержанов

Объединенный институт ядерных исследований

Автор, ответственный за переписку.
Email: bekarys@jinr.ru
Россия, 141980, Дубна, ул. Жолио Кюри, 6

Б. Мухаметулы

Объединенный институт ядерных исследований; Казахский национальный университет имени аль-Фараби; Институт ядерной физики Министерства энергетики Республики Казахстан

Email: bekarys@jinr.ru
Россия, 141980, Дубна, ул. Жолио Кюри, 6; 050040, Казахстан, Алматы, просп. аль-Фараби, 71; 050032, Казахстан, Алматы, ул. Ибрагимова, 1

Н. Ю. Самойлова

Объединенный институт ядерных исследований

Email: bekarys@jinr.ru
Россия, 141980, Дубна, ул. Жолио Кюри, 6

В. В. Палачева

Объединенный институт ядерных исследований; Национальный исследовательский технологический университет “МИСиС”

Email: bekarys@jinr.ru
Россия, 141980, Дубна, ул. Жолио Кюри, 6; 119049, Москва, Ленинский просп., 4

С. В. Сумников

Объединенный институт ядерных исследований; Национальный исследовательский технологический университет “МИСиС”

Email: bekarys@jinr.ru
Россия, 141980, Дубна, ул. Жолио Кюри, 6; 119049, Москва, Ленинский просп., 4

И. С. Головин

Объединенный институт ядерных исследований; Национальный исследовательский технологический университет “МИСиС”

Email: bekarys@jinr.ru
Россия, 141980, Дубна, ул. Жолио Кюри, 6; 119049, Москва, Ленинский просп., 4

Список литературы

  1. Ma T.Y., Hu S.S., Bai G.H., Yan M., Lu Y.H., Li H.Y., Peng X.L., Ren X.B. Structural origin for the local strong anisotropy in melt-spun Fe–Ga–Tb: Tetragonal nanoparticles // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 106. P. 112401.
  2. He Y., Jiang C., Wu W., Wang B., Duan H., Wang H., Zhang T., Wang J., Liu J., Zhang Z., Stamenov P., Coey J.M.D., Xu H. Giant heterogeneous magnetostriction in Fe–Ga alloys: Effect of trace element doping // Acta Mater. 2016. V. 109. P. 177–186.
  3. He Y., Ke X., Jiang C., Miao N., Wang H., Coey J.M.D., Wang Y., Xu H. Interaction of trace rare earth dopants and nanoheterogeneities induces giant magnetostriction in Fe–Ga alloys // Adv. Funct. Mater. 2018. V. 28. P. 1800858.
  4. Emdadi A., Palacheva V.V., Balagurov А.M., Bobrikov I.A., Cheverikin V.V., Cifre J., Golovin I.S. Tb-dependent phase transitions in Fe–Ga functional alloys // Intermetallics. 2018. V. 93. P. 55–62.
  5. Wu Y., Chen Y., Meng Ch., Wang H., Ke X., Wang J., Liu J., Zhang T., Yu R., Coey J.M. D., Jiang C., Xu H. Multiscale influence of trace Tb addition on the magnetostriction and ductility of <100> oriented directionally solidified Fe–Ga crystals // Phys. Rev. Mat. 2019. V. 3. P. 033401.
  6. Головин И.С., Палачева В.В., Мохамед А.К., Балагуров А.М. Структура и свойства Fe–Ga сплавов – перспективных материалов для электроники // ФММ. 2020. Т. 121. С. 937–980.
  7. Jin T., Wang H., Golovin I.S., Jiang C. Microstructure investigation on magnetostrictive Fe100-xGax and (Fe100-xGax)99.8Tb0.2 alloys for 19 ≤ x ≤ 29 // Intermetallics. 2019. V. 115. P. 106628.
  8. Golovin I.S., Mohamed A.K., Palacheva V.V., Zanaeva E.N., Cifre J., Samoylova N. Yu., Balagurov A.M. Mechanical spectroscopy of phase transitions in Fe–(23–38) Ga–RE alloys // J. Alloy and Comp. 2021. V. 874. P. 159882.
  9. Jin T., Wang H., Chen Y., Li T., Wang J., Jiang C. Evolution of nanoheterogeneities and correlative influence on magnetostriction in FeGa-based magnetostrictive alloys // Materials Characterization. 2022. V. 186. P. 111780.
  10. Gou J., Yang T., Qiao R., Liu Y., Ma T. Formation mechanism of tetragonal nanoprecipitates in Fe–Ga alloys that dominate the material's large magnetostriction // Scr. Mater. 2020. V. 185. P. 129–133.
  11. Xing Q., Kramer M.J., Wu D., Lograsso T.A. Influence of surface oxidation on transmission electron microscopy characterization of Fe–Ga alloys // Materials Charact. 2010. V. 61. P. 598–602.
  12. Liu H., Wang Y., Dong L., Wang H., Zhang Y., Zhang Z., Tan W. Structure and magnetic properties of Fe–Ga ribbons doped by Sn // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2021. V. 32. P. 745–751.
  13. Dai Z., Zhou C., Guo C., Cao K., Zhang R., Chang T., Matsushita Y., Murtaza A., Tian F., Zuo W., Zhang Y., Yang S., Song X. Giant enhancement of magnetostriction in Pt doped FeGa ribbons // Appl. Phys. Lett. 2023. V. 123. P. 082402.
  14. Балагуров А.М., Головин И.С. Рассеяние нейтронов в исследованиях функциональных сплавов на основе железа (Fe–Ga, Fe–Al) // УФН. 2021. Т. 191(7). С. 738–759.
  15. Балагуров А.М., Ержанов Б., Мухаметулы Б., Самойлова Н.Ю., Палачева В.В., Сумников С.В., Головин И.С. Фазовые переходы порядок-беспорядок в сплавах Fe81Ga19–RE (RE = Dy, Er, Tb, Yb) по данным дифракции нейтронов // ФММ. 2024. Т. 125. № 2. С. 202–213.
  16. Summers E.M., Lograsso T.A., Wun-Fogle M.J. Magnetostriction of binary and ternary Fe–Ga alloys // Mater. Sci. 2007. V. 42. P. 9582.
  17. Golovin I.S., Mohamed A.K., Palacheva V.V., Cheverikin V.V., Pozdnyakov A.V., Korovushkin V.V., Balagurov A.M., Bobrikov I.A., Fazel N., Mouas M., Gasser J. – G., Gasser F., Tabary P., Lan Q., Kovacs A., Ostendorp S., Hubek R., Divinski S., Wilde G. Comparative study of structure and phase transitions in Fe–(25–27)%Ga alloys // J. Alloy and Comp. 2019. V. 811. P. 152030.
  18. Balagurov A.M., Golovin I.S., Bobrikov I.A., Palacheva V.V., Sumnikov S.V., Zlokazov V.B. Comparative study of structural phase transitions in bulk and powdered Fe-27Ga alloy by real-time neutron thermodiffractometry // J. Appl. Cryst. 2017. V. 50. P. 198–210.
  19. Balagurov A.M. Scientific reviews: high-resolution Fourier diffraction at the IBR-2 reactor // Neutron News. 2005. V. 16. P. 8–12.
  20. Johansson G., Gorbatov O.I., Etz C. Theoretical investigation of magnons in Fe–Ga alloys // Phys. Rev. B. 2023. V. 108. P. 184410.
  21. Matyunina M.V., Zagrebin M.A., Sokolovskiy V.V., Pavlukhina O.O, Buchelnikov V.D., Balagurov A.M., Golovin I.S. Phase diagram of magnetostrictive Fe-Ga alloys: insights from theory and experiment // Phase Trans. 2019. V. 92. P. 101–116.
  22. Adelani M.O., Olive-Méndez S.F., Espinosa-Magaña F., Aquino J.A.M., Grijalva-Castillo M.C. Structural, magnetic and electronic properties of Fe-Ga-Tbx (0 ≤ x ≤ 1.85) alloys: Density-functional theory study // J. Alloys Comp. 2021. V. 857. P. 157540.
  23. Матюнина М.В., Загребин М.А., Соколовский В.В., Бучельников В.Д. Влияние легирования Al на стабильность фаз D03 и L12 в сплавах Fe73.44 (Ga, Al) 26.56: ab initio расчет и Монте-Карло моделирование // ФММ. 2023. Т. 124. № 1. С. 98–105.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Нейтронные дифракционные спектры сплавов Fe73Ga27RE0.5, RE = Er, Dy, измеренные на HRFD (высокое разрешение) при комнатной температуре в исходном состоянии (после отливки) и после медленного нагрева (до 850°С) и последующего охлаждения до КТ. Указаны положения пиков фаз D03 (на а, б, в) и L12 (на г) и индексы Миллера некоторых пиков.

Скачать (126KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Профили дифракционных пиков сплавов Fe73Ga27Er0.5 (a) и Fe73Ga27Dy0.5 (б), измеренные на HRFD (высокое разрешение) до (до, ромбы) и после (пос., кресты) медленного нагрева–охлаждения. Для фазы D03 (сплав с Er до нагрева и после охлаждения, и с Dy до нагрева) показаны профили пика 220. Для фазы L12 (сплав с Dy после охлаждения) показаны профили пиков 111 и 200. Пики нормированы по амплитуде и совмещены по межплоскостному расстоянию.

Скачать (222KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Построение Вильямсона–Холла для ширин дифракционных пиков сплавов Fe73Ga27Er0.5 (а) и Fe73Ga27Dy0.5 (б) в исходном состоянии (ромбы, обозначены до) и после охлаждения (квадраты, обозначены пос.). Сплошные линии – описание экспериментальных точек с использованием метода наименьших квадратов. Штриховая линия по точкам фазы L12 на (б) проведена для наглядности. Приведены индексы Миллера первых дифракционных пиков. Цифрами указаны величины микродеформаций. Штриховая линия внизу обоих графиков – вклад в ширины пиков от функции разрешения дифрактометра.

Скачать (121KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Параметр элементарной ячейки фазы D03 как функция ионного радиуса редкоземельного элемента (валентное состояние 3+). Горизонтальной линией указана величина параметра для сплава Fe73Ga27.

Скачать (63KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Дифракционные спектры сплава Fe73Gа27Dy0.5, измеренные в ходе нагрева и последующего охлаждения со скоростью ±2°С/мин. Ось температуры (и времени) направлена снизу вверх, ось межплоскостных расстояний – слева направо. Исходное состояние образца – фаза D03, при нагреве происходят переходы D03 → L12 → D019 → B2 → A2, при охлаждении происходят переходы A2 → B2 → D03 → L12. Индексы Миллера пиков, принадлежащих фазам А2, B2 и D03, приведены для ячейки D03. Время измерения одного спектра – 1 минута, всего 3D-карта содержит около 900 спектров.

Скачать (218KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости от температуры интенсивностей некоторых основных и сверхструктурных дифракционных пиков сплава Fe73Gа27Dy0.5 в ходе его нагрева (до 850°С) и последующего охлаждениях. Вертикальными линиями указаны (условно) температуры переходов между структурными фазами.

Скачать (127KB)
Метаданные
8. Рис. 7. То же, что на рис. 5, но для сплава Fe73Gа27Er0.5. Ось температуры (и времени) направлена снизу вверх. Исходное состояние образца – фаза D03, при нагреве происходят переходы D03 → (D03 + A1) → (D03 + А3) → A2, при охлаждении происходит переход A2 → D03. Индексы Миллера пиков, принадлежащих фазам А2 и D03, приведены для ячейки D03. Время измерения одного спектра – 1 минута, всего 3D-карта содержит около 900 спектров.

Скачать (191KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимости от температуры интенсивностей характерных дифракционных пиков сплава Fe73Gа27Er0.5 в ходе его нагрева и последующего охлаждениях.

Скачать (118KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимость от температуры параметра элементарной ячейки (левая шкала) сплава Fe73Gа27Yb0.5 и интенсивностей основного (400) и сверхструктурного (311) пиков (правая шкала) при его нагреве (а) и последующем охлаждении (б). Показан интервал температур в области структурного перехода D03 ↔ А2. Наклонные линии – описание экспериментальных точек линейной функцией. Цифрами указан температурный коэффициент линейного расширения (в ед. 10–5 1/К).

Скачать (134KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Нейтронный дифракционный спектр Fe73Ga27Dy0.5, измеренный в области больших dhkl после нагрева и охлаждения сплава. Масштаб по оси ординат увеличен. Штрихами отмечены положения основных и сверхструктурных пиков фазы L12 (100, 110, 111, 200) и расчетные положения пиков тетрагональных фаз L60 и D022 (сверху вниз). Указаны пики, связанные с окружением образца (печь) и следами фазы А2 (А2).

Скачать (62KB)
Метаданные