2202ф «Формування структури, магнітних властивостей нанорозмірних плівок FePt(Pd) водневою термообробкою для магнітного запису інформації підвищеної щільності» (Інститут матеріалознавства та зварювання імені Є.О. Патона, керівник Ю.М. Макогон).

Встановлено вплив початкових механічних напружень у шарах FePt та FePd при термообробці у різних атмосферах (водень, азот, вакуум) на фазовий перехід А1→L1_о в нанорозмірних плівках на основі FePt, FePd з додатковими шарами Au, Ag, Cu.

Визначено умови формування зерен фази L1_о з текстурою (001) і розташуванням вісі с легкого намагнічування перпендикулярно або паралельно площині плівки.

Створені наукові засади прискореного  формування нанорозмірних, термічно стабільних плівок на основі FePd, FePt з магнітно-твердою фазою L1_о для застосування в якості середовища магнітного запису підвищеної щільності. Оцінено і враховано вплив хімічного і  механічного факторів водневого впливу  на фазовий склад і структуру, а також  фізичного  фактору на електронну структуру нанорозмірних плівок на основі FePt і FePd, легованих Au, Ag, Cu, та на їх магнітні властивості. Це дало можливість запропонувати новий науковий підхід щодо застосування водневої термообробки в нанорозмірних плівках на основі FePt(Pd) для обмеження  небажаного впливу нанорозмірного фактору, що уповільнює упорядкування зі зменшенням товщини. Відпал у водні прискорює процеси дифузійного формування термостабільних, нанорозмірних, магнітно-твердих плівок FePt та FePd.

Опубліковано 2 статті у закордонних журналах, що індексуються наукометричними базами даних Scopus Web of Science, опубліковано 2 тез доповідей, отримано 1 патенту на корисну модель, захищено 1 бакалаврську роботу.

2405ф «Структурно-фазові механізми керування комплексом поверхневих властивостей конструкційних і функціональних сплавів комбінованими тепловими, йонними та деформаційними впливами» (Інститут матеріалознавства та зварювання імені Є.О. Патона, керівник С.М. Волошко).

Відпрацьовано нові методики комбінованої обробки, з використанням теплових та деформаційних високоенергетичних впливів – ультразвукової ударної обробки УЗУО, електроіскрового легування, лазерного опромінення, термічної обробки. Визначено оптимальні режими УЗУО для цілого ряду конструкційних сплавів з метою формування зносо- та корозійно стійких покриттів за умов квазігідростатичного стиснення, здійснено контроль механічних властивостей поверхні. З використанням факторного планування експериментів досліджено вплив основних параметрів УЗУО, а саме: амплітуди коливань концентратора та тривалості обробки, на розмір зерен у поверхневому шарі, макротвердість, залишкові макронапруження, шорсткість та хвилястість поверхні інструментальної сталі 9Г2Ф. Показано, що оптимізовані параметри УЗУО обумовлюють збільшення твердості поверхні на ~50 % і зниження шорсткості поверхні на ~50 %, забезпечуючи нову специфічну текстуру/рельєф поверхні та залишкові напруження стискання у поверхневому шарі. УЗУО поверхні сталі 40Х13 проводилась у стані поставки, після закалки за температури 950 °С з охолодженням у маслі та воді, а також після закалки та відпуску за температури 250 °С упродовж години. УЗУО поверхні сплаву Д16 з використанням дрібнодисперсних евтектичних порошків Al-33 ваг% Cu з 5 ваг.% графіту, в результаті якої утворюються метастабільна Al₄Cu₉ та стабільна Al₂Cu інтерметалідні фази, дозволила досягти ефекту зміцнення ~ 3,5 разів. Композитні покриття товщиною близько ~50 мкм синтезовані УЗУО поверхневих шарів двофазної латуні ЛС59-1 із додаванням армуючих частинок SiC різних фракцій (3 – 5 мкм, 14 – 20 мкм, 40 – 50 мкм, 80 – 100 мкм, 160 – 200 мкм). Максимальний ефект зміцнення внаслідок максимального подрібнення кристалітів фазових складових латуні досягнутий за умов армування поверхні порошком SiC з розміром частинок 160 – 200 мкм. Поверхневі шари алюмінієвого сплаву АМг6 модифіковані УЗУО та комбінованим обробленням, що поєднувало електроіскрове легування (ЕІЛ) титаном і УЗУО. Комбіноване оброблення (ЕІЛ+УЗУО) веде до подвійного зростання мікротвердості в порівнянні з УЗУО за рахунок формування твердого розчину TiAl та інтерметалідних фаз Ti_xAl_y, а також незначної кількості оксидів, які підсилюють дислокаційне та зернограничне зміцнення. ЕІЛ+УЗУО забезпечує найвищу корозійну стійкість сплаву АМг6 у водному розчині 3,5% NaCl, що проявляється у підвищенні значень потенціалу корозії на 40 – 70 мВ порівняно із зразком після УЗУО, що обумовлено наноструктурним станом модифікованої поверхні. Поєднання лазерного ударного зміцнення з УЗУО використане як для покращення шорсткості поверхні, так і для подрібнення зерна та формування залишкових напружень стиску в приповерхневому шарі аустенітної нержавіючої сталі. Нанорозмірні зерна, утворені на поверхнях під час комбінованих обробок були меншими, ніж для зразків, оброблених УЗУО. У порівнянні з необробленими зразками, твердість поверхні вдалося збільшити приблизно на 30 %, 73 % і 78 % після лазерного ударного оброблення, ультразвукового ударного оброблення та комбінованого лазерно-ультразвукового оброблення. Для підвищення зносостійкості сплаву Ti–6Al–4V на його поверхні сформоване захисне композитне покриття, зміцнене оксидом алюмінію, для чого застосовано двоетапну модифікацію поверхні, а саме: ультразвукове ударне оброблення з одночасним додаванням порошку оксиду алюмінію в зону інтенсивної пластичної деформації, що формує механічно змішаний поверхневий шар композиту, а також окиснення на повітрі для консолідації захисного покриття. Для дослідження тертя/зношування сформованого покриття проводилися два типи випробовувань зворотно-поступального ковзання в сухих умовах і за суттєво різних величин контактного тиску. Встановлено, що багатошарова структура захисної покриття, що складається з щільної плівки Al₂O₃/TiO₂ на зовнішній поверхні та приповерхневий шар композиту, армований частинками Al₂O₃, забезпечує подвійне підвищення зносостійкості та низький коефіцієнт тертя в умовах незначного максимального напруження зсуву (0,5 ГПа), але руйнується в умовах максимального контактного напруження зсуву (~3,2 ГПа). Показано, що у порівнянні зі сплавом підкладки Ti₆Al₄V, виготовлений захисний шар має втричі більшу твердість (~13 ГПа), на ~50 % вищий модуль пружності (170 ГПа), на ~70 % кращу термостійкість при 650 °C і в 6,5 разів кращі антикорозійні властивості в сольовому розчині (в 4 рази вища захисна ефективність, ніж у окисненої поверхні сплаву Ti₆Al₄V). Одержані результати переконливо доводять доцільність застосування УЗУО в комбінації з іншими методами високоенергетичної обробки.

Опубліковано монографію у закордонних виданнях на 7 мовах, отримано 2 авторських свідоцтва, подано заявку на винахід, видано 2 навчальних посібники, опубліковано 7 статей у журналах, що входять до наукометричної бази даних Scopus, та 4 прийнято до друку, захищена дипломна робота. Б.М. Мордюк і С.М. Волошко – співавтори роботи «Фізичні основи та інноваційні технології ультразвукового оброблення матеріалів», рекомендованої для преміювання Комітетом з Державних премій України з науки і техніки у 2021 р. (Національна премія імені Бориса Патона). До виконання залучалось з оплатою: 2 студенти, 1 аспірант, 1  молодий учений.

2401п «Низькотемпературне формування нанорозмірних плівкових матеріалів з ефектом пам’яті форми для сучасних мікроелектромеханічних систем» (Інститут матеріалознавства та зварювання ім. Є.О. Патона, керівник А.К. Орлов).

Проведено аналіз літератури за тематикою. Підготовлено технічне завдання. Відпрацьовано методику електронно-променевого осадження тонкоплівкових зразків. Отримано три серії зразків із варіюванням товщини та послідовності вакуумно конденсованих шарів – Ni(30 нм)/Ti(30 нм)/Si, Ni(400 нм)/Ti(100 нм)/Si, Ti(400 нм)/Ni(100 нм)/Si. Визначено оптимальні технологічні параметри вакуумного осадження тонкоплівкових композицій. Відпрацьовано режими термічної обробки тонкоплівкових композицій Ni/Ti та Ti/Ni у вакуумі. Проведено відпал серії тонкоплівкових зразків в вакуумі 10^-4 Па в інтервалі температур (20 – 600) ℃ з часом витримки від 1 до 5 годин. Встановлені температурні інтервали структурно-фазових перетворень в системах Ni/Ti/Si(001) та Ti/Ni/Si(001). Досліджено особливості зміни мікроструктури тонкоплівкових зразків при відпалі в вакуумі 10^-3 Па в інтервалі температур (20 – 600) ℃. Досліджено особливості масопереносу компонентів в системах Ni/Ti/підкладинка та Ti/Ni/підкладинка після відпалу в вакуумі 10^-4 Па в інтервалі температур (20 – 600)℃ з варіюванням часу витримки. Встановлено особливості формування твердих розчинів заміщення, закономірності дифузійного масопереносу компонентів та зміни морфології поверхні тонкоплівкових структур після термічного відпалу в інтервалі температур (300 – 500) °С у вакуумі 10^-3 Па та атмосфері Ar (200 Па). Відпрацьовано методики: рентгеноструктурного фазового аналізу Rigaku Ultima IV; електронної мікроскопії ПЕМ-125К; високоенергетичної електронної дифракції ЕМР-100; вимірювання залишкових напружень за допомогою рентгенівського випромінювання методом sin²psi; пошарового хімічного аналізу методом вторинної йонної мас-спектрометрії МС-7201.

Проведено роботу щодо організації, створення та укомплектування нової лабораторії тонкоплівкового матеріалознавства на кафедрі фізичного матеріалознавства та термічної обробки (506 кімната 9 корпусу) ІМЗ ім. Є.О. Патона КПІ ім. Ігоря Сікорського на базі вакуумного обладнання, безкоштовно переданого науковими колегами з синхротронного центру RIKEN SPring-8, Японія. Проведено модернізацію вакуумної системи електронографу ЕМР-100, системи контролю температури та системи напуску захисної атмосфери вакуумної установки для термічної обробки; здійснено монтаж та налагодження двох високовакуумних камер для термічної та йонної обробок. Виконано проектно-конструкторську роботу щодо розробки 4-х зондової вакуумної приставки для дослідження температурної залежності питомого електроопору тонкоплівкових зразків.

За звітний період підготовлено до публікації 3 статті у фахових та іноземних рецензованих виданнях, що індексуються наукометричною базою даних Scopus (2 у фахових та 1 в іноземному виданнях). Підготовлено 4 доповіді на міжнародних конференціях. Опубліковано 1 методичний посібник, ще 1 посібник підготовлено до друку. Підготовлено до захисту 1 дисертаційну роботу. Результати виконання НДР покладено в основу 1 магістерської дисертації.

2224п «Низькотемпературне формування феромагнітних плівкових високовпорядкованих матеріалів для сучасних високих технологій наноелектроніки та спінтроніки» (Інститут матеріалознавства та зварювання ім. Є.О. Патона, керівник І.А. Владимирський).          

Теоретичний аналіз перебігу самодифузії у впорядкованих інтерметалідних фазах методом молекулярної динаміки дозволив визначити кількісні параметри цього процесу. Зокрема, розраховано параметри самодифузії компонентів у впорядкованій фазі L1₀-FePt за вакансійним механізмом у кінетичному режимі типу А (0,7 – 0,85 Т_пл); визначено температурну залежність енергії формування вакансій із врахуванням їхнього нерівномірного розподілу за підгратками впорядкованого інтерметаліду, температурну залежність рівноважної концентрації вакансій та кінетичні закономірності середньоквадратичного атомного зміщення. Доведено коректність застосування методу молекулярної динаміки для визначення температурних залежностей коефіцієнтів самодифузії атомів Fe і Pt у фазі L1₀-FePt – отримані значення добре узгоджуються із законом Арреніуса, але абсолютні величини цих коефіцієнтів є меншими за експериментальні значення, що зумовлено прийнятими наближеннями (нехтування шляхами прискореної дифузії, зокрема границями зерен; невідповідністю розрахованого значення температури плавлення фази FePt тому значенню, яке передбачене діаграмою стану фазової рівноваги системи Fe-Pt; неврахуванням ентропії утворення вакансій під час розрахунку їхньої рівноважної концентрації). Підтверджено анізотропний характер процесу самодифузії у фазі L1₀-FePt: як атоми Fe, так і атоми Pt мігрують в ~5 разів швидше в напрямку, перпендикулярному до вісі тетрагонального спотворення гратки, порівняно з дифузією вздовж цього напрямку. Виявлено, що особливістю кінетики середньоквадратичного зміщення атомів Fe і Pt у впорядкованому інтерметаліді L1₀-FePt в температурному інтервалі (0,7 – 0,85) Т_пл є наявність трьох етапів: на початковому релаксаційному етапі після досягнення заданої температури атоми займають положення, що відповідають мінімальній енергії системи; надалі збільшення середньоквадратичного зміщення атомів з часом обумовлюється рухом атомів і вакансій до положень, що відповідають досягненню дальнього порядку у кристалічній гратці; і нарешті етап, для якого характерне лінійне зростання величини середньоквадратичного зміщення атомів внаслідок безпосереднього процесу самодифузії, є придатним для коректного розрахунку кількісних дифузійних параметрів методом молекулярної динаміки.

Встановлено закономірності розвитку термічно-індукованих дифузійних процесів, структурно-фазових перетворень і їхній вплив на магнітні властивості нанорозмірних гетерогенних систем Pt/Co.

Запропоновано модельні уявлення щодо розвитку дифузійних процесів у гетерогенних плівкових системах із різною конфігурацією магнітних і немагнітних наношарів за механізмами дифузійно-індукованої міграції границь зерен та реакційної дифузії, індукованої рухом границь зерен. Отримані в роботі результати є науковою основою створення новітніх феромагнітних впорядкованих за типом L1₀ наноматеріалів з унікальним комплексом магнітних і експлуатаційних властивостей (коерцитивна сила, намагніченість насичення, температура Кюрі, корозійна стійкість), використання яких в якості робочих плівкових елементів приладів наноелектроніки і спінтроніки дозволить досягти суттєвого підвищення функціональних характеристик даних приладів (ємність зберігання інформації, щільність інтеграції функціональних елементів тощо) та зменшити енерговитрати.

Опубліковано 1 статтю у закордонному журналі, що індексуються наукометричними базами даних Scopus і Web of Science, 2 статті в українських журналах, що індексуються наукометричними базами даних Scopus і Web of Science, захищено 1 патент на корисну модель, захищена 1 магістерська дисертація та підготовлені до захисту 2 магістерські дисертації (грудень 2021 р.), підготовлено до захисту докторську дисертацію.