Влияние режимов механического легирования на микроструктуру, фазовый состав и механические свойства порошковых высокоэнтропийных сплавов Co–Cr–Fe–Ni–Ti

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Исследовано влияние продолжительности механического легирования (15, 30, 45, 60 мин), содержания Ti (4, 8, 12 ат.%) и способа его введения (в виде металлического порошка Ti или порошка TiH2) на микроструктуру, фазовый состав и механические свойства высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) системы Co–Cr–Fe–Ni–Ti, изготовленных по порошковой технологии. Установлено, что за 30 мин механического легирования структура порошковых смесей достигает высокой степени однородности и содержит ОЦК- и ГЦК-фазы в количестве 43% и 57% соответственно. В процессе последующего горячего прессования происходит дальнейшая гомогенизация структуры, а содержание ГЦК-фазы повышается, достигая 99% в сплавах, изготовленных с использованием TiH2. Оптимальная комбинация механических свойств достигнута в образце CoCrFeNiTi8(TiH2): твердость 74 HRA, предел прочности на растяжение и изгиб 690 и 1255 МПа соответственно. В группе сплавов, изготовленных с использованием металлического порошка Ti, с увеличением концентрации этого элемента повышаются прочность, твердость, плотность, а также износостойкость, и снижается хрупкость. Для дальнейшего повышения механических свойств ВЭС Co–Cr–Fe–Ni–Ti, изготовленных по порошковой технологии, необходима оптимизация содержания σ-фазы и снижение содержания оксинитридной фазы, что может быть достигнуто как корректировкой состава, так и усовершенствованием режимов механического легирования.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

M. A. Березин

Университет науки и технологий МИСИС

Автор, ответственный за переписку.
Email: berezinmaximus@gmail.com
Россия, Москва

А. А. Зайцев

Университет науки и технологий МИСИС

Email: berezinmaximus@gmail.com
Россия, Москва

Б. Ю. Романенко

Университет науки и технологий МИСИС

Email: berezinmaximus@gmail.com
Россия, Москва

П. A. Логинов

Университет науки и технологий МИСИС

Email: berezinmaximus@gmail.com
Россия, Москва

Список литературы

  1. George E.P., Raabe D., Ritchie R.O. High-entropy alloys // Nat. Rev. Mater. 2019. V. 4. P. 515–534. https://doi.org/10.1038/s41578-019-0121-4
  2. Yeh J.-W., Chen S.-K., Lin S.-J., Gan J.-Y., Chin T.-S., Shun T.-T., Tsau C.-H., Chang S.-Y. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: novel alloy design concepts and outcomes // Adv. Eng. Mater. 2004. V. 6. № 5. P. 299–303. https://doi.org/10.1002/adem.200300567
  3. Cantor B., Chang I.T.H., Knight P., Vincent A.J.B. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2004. V. 375–377. P. 213–218. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.257
  4. Otto F., Dlouhý A., Somsen Ch., Bei H., Eggeler G., George E.P. The influences of temperature and microstructure on the tensile properties of a CoCrFeMnNi high-entropy alloy // Acta Mater. 2013. V. 61. № 15. P. 5743–5755. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.06.018
  5. Otto F., Yang Y., Bei H., George E.P. Relative effects of enthalpy and entropy on the phase stability of equiatomic high-entropy alloys // Acta Mater. 2013. V. 61. № 7. P. 2628–2638. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.01.042
  6. Ma D., Yao M., Pradeep K.G., Tasan C.C., Springer H., Raabe D. Phase stability of non-equiatomic CoCrFeMnNi high entropy alloys // Acta Mater. 2015. V. 98. P. 288–296. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.07.030
  7. Gludovatz B., Hohenwarter A., Catoor D., Chang E.H., George E.P., Ritchie R.O. A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications // Science. 2014. V. 345. № 6201. P. 1153-8. https://doi.org/10.1126/science.1254581
  8. Wu Z., Bei H., Pharr G.M., George E.P. Temperature dependence of the mechanical properties of equiatomic solid solution alloys with face-centered cubic crystal structures // Acta Mater. 2014. V. 81. P. 428–441. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.08.026
  9. Laurent-Brocq M., Akhatova A., Perrière L., Chebini S., Sauvage X., Leroy E., Champion Y. Insights into the phase diagram of the CrMnFeCoNi high entropy alloy // Acta Mater. 2015. V. 88. P. 355–365. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.01.068
  10. Haas S., Mosbacher M., Senkov O.N., Feuerbacher M., Freudenberger J., Gezgin S., Völkl R., Glatzel U. Entropy determination of single-phase high entropy alloys with different crystal structures over a wide temperature range // Entropy (Basel). 2018. V. 20. № 9. P. 654. https://doi.org/10.3390/e20090654
  11. Senkov O.N., Wilks G.B., Miracle D.B., Chuang C.P., Liaw P.K. Refractory high-entropy alloys //Intermetallics. 2010. V. 18. № 9. P. 1758–1765. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2010.05.014
  12. Senkov O.N., Semiatin S.L. Microstructure and properties of a refractory high-entropy alloy after cold working // J. Alloys Compd. 2015. V. 649. P. 1110–1123. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.07.209
  13. Sheikh S., Shafeie S., Hu Q., Ahlström J., Persson C., Veselý J., Zýka J., Klement U., Guo S. Alloy design for intrinsically ductile refractory high-entropy alloys // J. Appl. Phys. 2016. V. 120. P. 164902. https://doi.org/10.1063/1.4966659
  14. Feuerbacher M., Heidelmann M., Thomas C. Hexagonal high-entropy alloys // Mater. Res. Lett. 2014. V. 3. № 1. P. 1–6. https://doi.org/10.1080/21663831.2014.951493
  15. Takeuchi A., Amiya K., Wada T., Yubuta K., Zhang W. High-entropy alloys with a hexagonal close-packed structure designed by equi-atomic alloy strategy and binary phase diagrams // JOM. 2014. V. 66. P. 1984–1992. https://doi.org/10.1007/s11837-014-1085-x
  16. Zhao Y.J., Qiao J.W., Ma S.G., Gao M.C., Yang H.J., Chen M.W., Zhang Y. A hexagonal close-packed highentropy alloy: the effect of entropy // Mater. Des. 2016. V. 96. P. 10–15. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.01.149
  17. Qiao J.W., Bao M.L., Zhao Y.J., Yang H.J., Wu Y.C., Zhang Y., Hawk J.A., Gao M.C. Rare-earth high entropy alloys with hexagonal close-packed structure // J. Appl. Phys. 2018. V. 124. P. 195101. https://doi.org/10.1063/1.5051514
  18. Lilensten L., Couzinié J.P., Perrière L., Bourgon J., Emery N., Guillot I. New structure in refractory highentropy alloys // Mater. Lett. 2014. V. 132. P. 123–125. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2014.06.064
  19. Yeh J.W., Chen Y.L., Lin S.J., Chen S.K. High-entropy alloys — a new era of exploitation // MSF. 2007. V. 560. P. 1–9. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.560.1
  20. Ma D., Grabowski B., Körmann F., Neugebauer J., Raabe D. Ab initio thermodynamics of the CoCrFeMnNi high entropy alloy: Importance of entropy contributions beyond the configurational one // Acta Mater. 2015. V. 100. P. 90–97. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.08.050
  21. Poletti M.G., Battezzati L. Electronic and thermodynamic criteria for the occurrence of high entropy alloys in metallic systems // Acta Mater. 2014. V. 75. P. 297–306. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.04.033
  22. Li Z., Raabe D. Strong and ductile non-equiatomic high-entropy alloys: design, processing, microstructure, and mechanical properties // JOM. 2017. V. 69. P. 2099–2106. https://doi: 10.1007/s11837-017-2540-2
  23. Joseph J., Stanford N., Hodgson P., Fabijanic D.M. Understanding the mechanical behaviour and the large strength/ductility differences between FCC and BCC AlxCoCrFeNi high entropy alloys // J. Alloys Compd. 2017. V. 726. P. 885–895. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.08.067
  24. Wang X.F., Zhang Y., Qiao Y., Chen G.L. Novel microstructure and properties of multicomponent CoCrCuFeNiTix alloys // Intermetallics. 2007. V. 15. № 3. P. 357–362. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2006.08.005
  25. He J.Y., Liu W.H., Wang H., Wu Y., Liu X.J., Nieh T.G., Lu Z.P. Effects of Al addition on structural evolution and tensile properties of the FeCoNiCrMn high-entropy alloy system // Acta Mater. 2014. V. 62. P. 105–113. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.09.037
  26. Zhou Y.J., Zhang Y., Wang Y.L., Chen G.L. Solid solution alloys of AlCoCrFeNiTix with excellent room-temperature mechanical properties // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 181904. https://doi.org/10.1063/1.2734517
  27. Li B.S., Wang Y.P., Ren M.X., Yang C., Fu H.Z. Effects of Mn, Ti and V on the microstructure and properties of AlCrFeCoNiCu high entropy alloy // Mater. Sci. Eng. A. 2008. V. 498. № 1–2. P. 482–486. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.08.025
  28. Stepanov N.D., Shaysultanov D.G., Salishchev G.A., Tikhonovsky M.A., Oleynik E. E., Tortika A.S., Senkov O.N. Effect of V content on microstructure and mechanical properties of the CoCrFeMnNiVx high entropy alloys // J. Alloys Compd. 2015. V. 628. P. 170–185. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.12.157
  29. Рогачев А.С. Структура, стабильность и свойства высокоэнтропийных сплавов // ФММ. 2020. Т. 121. № 8. С. 807−841. https://doi.org/10.31857/S0015323020080094
  30. Qi Y., Cao T., Zong H., Wu Y., He L., Ding X., Jiang F., Jin S., Sha G., Sun J. Enhancement of strength-ductility balance of heavy Ti and Al alloyed FeCoNiCr high-entropy alloys via boron doping // J. Mater. Sci. Technol. 2021. V. 75. P. 154–163. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.023
  31. Tong Y., Chen D., Han B., Wang J., Feng R., Yang T., Zhao C., Zhao Y.L., Guo W., Shimizu Y., Liu C.T., Liaw P.K., Inoue K., Nagai Y., Hu A., Kai J.J. Outstanding tensile properties of a precipitation-strengthened FeCoNiCrTi0.2 high-entropy alloy at room and cryogenic temperatures // Acta Mater. 2019. V. 165. P. 228–240. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.11.049
  32. Shun T.-T., Chang L.-Y, Shiu M.-H. Microstructures and mechanical properties of multiprincipal component CoCrFeNiTix alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2012. V. 556. P. 170−174. https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.06.075
  33. Chand S., Rana N.K., Rakha K., Reza S., Batra U. Synthesis and characterization of CoCrFeNi1.75-xTi0.25+x high entropy alloy // Mater. Today Proc. 2022. V. 62. № 14. P. 7540–7546. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.04.344
  34. Li X., Li Z., Wu Z., Zhao S., Zhang W., Bei H., Gao Y. Strengthening in Al-, Mo- or Ti-doped CoCrFeNi high entropy alloys: A parallel comparison // J. Mater. Sci. Technol. 2021. V. 94. P. 264−274. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.02.060
  35. Hedya S., Mohamed L., Gaber G., Elkady O., Megahed H., Abolkassem S. Effect of Si/Ti additions on physico-mechanical and chemical properties of FeNiCrCo high entropy alloys manufactured by powder metallurgy technique // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2022. V. 32. № 8. P. 2648−2664. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(22)65973-9
  36. Ивасишин О.М., Саввакин Д.Г., Бондарева К.А., Моксон В.С., Дузь В.А. Производство титановых сплавов и деталей экономичным методом порошковой металлургии для широкомасштабного промышленного применения // Наука и инновации. 2005. Т. 1. № 2. С. 44−57.
  37. Ma Q. Cold compaction and sintering of titanium and its alloys for near-net-shape or preform fabrication // Int. J. Powder Metall. 2010. V. 46. № 5. P. 29−43. https://doi.org/ 10.18307/2010.0104
  38. Ивасишин О.М., Бондарчук О.Б., Гуменяк М.М., Саввакин Д.Г. Поверхностные явления при нагревании порошка гидрида титана // Физика и химия твердого тела. 2011. Т. 12. № 4. С. 900−907.
  39. Collins T.J. ImageJ for microscopy // BioTechniques. 2007. V. 43. 1 Suppl. P. 25−30. https://doi.org/10.2144/000112517
  40. Bendo Demetrio K. Cryomilling and spark plasma sintering of 2024 aluminium alloy. 2011. PhD thesis, University of Trento.
  41. Cao M.Z., Zuo Y., He B.B., Liang Z.Y. Suppressing σ phase formation by rapid solidification to prevent embrittlement in a low-cost aged medium-entropy alloy // J. Mater. Res. Technol. 2023. V. 27. P. 5669−5680. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.11.055
  42. Lee J., Kim I., Kimura A. Application of small punch test to evaluate sigma-phase embrittlement of pressure vessel cladding material // J. Nucl. Sci. Technol. 2003. V. 40. № 9. P. 664−671. https://doi.org/10.1080/18811248.2003.9715404
  43. Hsu C.-Y., Juan C.-C., Chen S.-T., Sheu T.-S., Yeh J.-W., Chen S.-K. Phase diagrams of high-entropy alloy system Al-Co-Cr-Fe-Mo-Ni // JOM. 2013. V. 65. № 12. P. 1829−1839. htpps://doi.org/10.1007/s11837-013-0773-2
  44. Chuang M.-H., Tsai M.-H., Tsai C.-W., Yang N.-H., Chang S.-Y., Yeh J.-W., Chen S.-K., Lin S.-J. Intrinsic surface hardening and precipitation kinetics of Al0.3CrFe1.5MnNi0.5 multi-component alloy // J. Alloys Compd. 2013. V. 551. P. 12−18. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.09.133

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. СЭМ-изображения микроструктуры порошков CoCrFeNiTi4, CoCrFeNiTi8 и CoCrFeNiTi12 после 15, 30, 45, 60 мин МЛ. Трещины в частицах обведены красной штриховой линией.

Скачать (131KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределение элементов в порошках CoCrFeNiTi4, CoCrFeNiTi8 и CoCrFeNiTi12 после 15 мин МЛ.

Скачать (79KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Результаты МРСА: с поверхности шлифа частиц порошков CoCrFeNiTi4 после 45 мин МЛ (а); после 60 мин МЛ (б); CoCrFeNiTi8 после 45 мин МЛ (в); с точек внутри частицы порошка CoCrFeNiTi12 после 60 мин МЛ (д).

Скачать (92KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Рентгенограммы порошков CoCrFeNiTi8 после 15, 30, 45 и 60 мин МЛ.

Скачать (16KB)
Метаданные
6. Рис. 5. СЭМ-изображения микроструктур компактов CoCrFeNiTi4 (а), CoCrFeNiTi8 (б), CoCrFeNiTi12 (в), CoCrFeNiTi4(TiH2) (г), CoCrFeNiTi8(TiH2) (д), CoCrFeNiTi12(TiH2) (е). Одиночные темные округлые включения, сферические включения с темными границами и скопления мелких темных включений обведены красной штриховой, бирюзовой пунктирной и желтой сплошной линиями, соответственно.

Скачать (106KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Результаты МРСА компактов: CoCrFeNiTi4 — с поверхности шлифа (а); CoCrFeNiTi4 — с выбранных точек (б, в); CoCrFeNiTi8 — с поверхности шлифа (г); CoCrFeNiTi8 — с выбранных точек (д); CoCrFeNiTi12 — с поверхности шлифа (е); CoCrFeNiTi12 — с выбранных точек (ж, з).

Скачать (191KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Результаты МРСА компактов: CoCrFeNiTi4(TiH2) — с поверхности шлифа (а); CoCrFeNiTi4(TiH2) — с выбранных точек (б-г); CoCrFeNiTi8(TiH2) — с поверхности шлифа (д); CoCrFeNiTi8(TiH2) — с выбранных точек (е); CoCrFeNiTi12(TiH2) — с поверхности шлифа (ж); CoCrFeNiTi12(TiH2) — с выбранных точек (з).

Скачать (265KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Рентгенограммы компактов Co–Cr–Fe–Ni–Ti, полученных методом ГП. Исходная порошковая смесь содержала Ti в виде металлического порошка (а) или в виде TiH2 (б).

Скачать (31KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Микроструктура изломов компактов CoCrFeNiTi4 (а, г), CoCrFeNiTi8 (б, д) и CoCrFeNiTi12 (в, е) после испытаний на трехточечный изгиб. Исходная порошковая смесь содержала Ti в виде металлического порошка (а–в) или в виде TiH2 (б–е).

Скачать (95KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Графики “напряжение–деформация” ВЭС Co–Cr–Fe–Ni–Ti при испытаниях на трехточечный изгиб.

Скачать (16KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Кривые силы трения и топография дорожек износа для образцов, содержащих 4, 8, 12%Ti. Исходная порошковая смесь содержала Ti в виде металлического порошка (а) или в виде TiH2 (б).

Скачать (70KB)
Метаданные