blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-11-846-854blackmet-2209Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEСтруктурно-фазовые изменения высокоэнтропийного сплава при облучении импульсным электронным пучкомStructural phase variations in high-entropy alloy at irradiation by pulsed electron beamhttps://orcid.org/0000-0001-8022-7958ИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

Иванов Юрий Федорович - доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник.

634055, Томск, пр. Академический 2/3.

Yurii F. Ivanov - Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Chief Researcher, Institute of High Current Electronics, SB RAS.

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055.

yufi55@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5147-5343ГромовВ. Е.GromovV. E.

Громов Виктор Евгеньевич – доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля.

654007, Кемеровская обл. - Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42.

Viktor E. Gromov - Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Head of the Chair of Science named after V.M. Finkel', Siberian State Industrial University.

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region - Kuzbass 654007.

gromov@physics.sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4809-8660КоноваловС. В.KonovalovS. V.

Коновалов Сергей Валерьевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии металлов и авиационного материаловедения.

443086, Самара, Московское шоссе, 34.

Sergei V. Konovalov - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Chair of Metals Technology and Aviation Materials, Samara National Research University.

34 Moskovskoe Route, Samara 443086.

ksv@ssau.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5677-1427ШляроваЮ. A.ShlyarovaYu. A.

Шлярова Юлия Андреевна - аспирант кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля.

654007, Кемеровская обл. - Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42.

Yuliya A. Shlyarova - Postgraduate of the Chair of Science named after V.M. Finkel', Siberian State Industrial University.

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region - Kuzbass 654007.

rubannikova96@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3957-0249ВоробьевС. В.Vorob'evS. V.

Воробьев Сергей Владимирович – доктор технических наук, старший научный сотрудник Управления научных исследований.

654007, Кемеровская обл. - Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42.

Sergei.V. Vorob'ev - Dr. Sci. (Eng.), Senior Researcher of Department of Scientific Research, Siberian State Industrial University.

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region - Kuzbass 654007.

sparrow1981@mail.ruИнститут сильноточной электроники СО РАНРоссияInstitute of High-Current Electronics SB RASRussian FederationСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationСамарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. КоролеваРоссияSamara National Research UniversityRussian Federation2021101220216411846854Copyright © Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Коновалов С.В., Шлярова Ю.A., Воробьев С.В., 20212021Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Коновалов С.В., Шлярова Ю.A., Воробьев С.В.Ivanov Y.F., Gromov V.E., Konovalov S.V., Shlyarova Y.A., Vorob'ev S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2209

По технологии проволочно-дугового аддитивного производства (WAAM) в атмосфере чистого азота получен высокоэнропийный сплав (ВЭС) системы Al - Co - Cr - Fe - Ni неэквиатомного состава. Методами современного физического материаловедения показано, что в исходном состоянии сплав имеет дендритное строение, что указывает на неоднородное распределение легирующих элементов. Сплав является многофазным материалом, основные фазы: Al3Ni, Cr3C2 , (Ni, Co)3Al4 . Наноразмерные частицы (Ni, Co)3Al4 кубической формы расположены вдоль границ раздела субмикронных фаз Al3Ni и Cr3C2 . Облучение ВЭС импульсными электронными пучками с плотностью энергии Es = 10 + 30 Дж/см2, длительностью импульса 50 мкс, частотой 3 Гц и числом импульсов 3 приводит к высокоскоростному плавлению и последующей кристаллизации поверхностного слоя. При Es = 10 Дж/см2 не происходит разрушения структуры дендритной кристаллизации. Междендритные пространства обогащены алюминием, никелем и железом, а сами дендриты атомами хрома. Наиболее ликвирующим элементом является алюминий, наименее - кобальт. При Es = 20 Дж/см2 в объеме зерен формируется нанокристаллическая структура в слое толщиной 15 мкм. Размер ячеек кристаллизации составляет 100 - 200 нм, размер включений в стыках ячеек 20 - 25 нм, а вдоль границ ячеек - 10 - 15 нм. Ячейки высокоскоростной кристаллизации обогащены алюминием и никелем. Атомы кобальта распределены по объему поверхностного слоя равномерно. Наиболее ликвирующим элементом является хром, наименее - кобальт. Увеличение плотности энергии пучка электронов до 30 Дж/см2 не приводит к существенным (по сравнению с 20 Дж/см2 ) изменениям структуры поверхностного слоя. Выявлен режим облучения (Es = 20 Дж/см2, 50 мкс, 3 импульса, 0,3 Гц), который позволяет сформировать поверхностный слой с наиболее высокой однородностью распределения химических элементов в сплаве.

The high-entropy alloy (HEA) of Al - Co - Cr - Fe - Ni system of nonequiatomic composition is obtained by the technology of wire-arc additive manufacturing (WAAM) in atmosphere of pure nitrogen. By the methods of modern physical materials science it is shown that in the initial state the alloy has dendritic structure indicating nonhomogeneous distribution of alloying elements. It is a multiphase material whose main phases are Al3NCr3C2 , (Ni, Co)3Al4 . Nonadimensional particles (Ni, Co)3Al4 of cubic shape are located along interfaces of submicron phases Al3Ni and Cr3C2 . The HEA irradiation by pulsed electron beams with energy density Es = 10 + 30 J/cm2, pulse duration of 50 is, frequency of 3 Hz and pulse number of 3 leads to high-velocity melting and subsequent crystallization of surface layer. If Es = 10 J/cm2, no failure of dendritic crystallization structure happens. Interdendritic spaces are enriched in chemical elements Al, Ni and Fe, and dendrites themselves - in chromium atoms. The most liquating element of the alloy is Al, the least one is Co. If Es = 20 J/cm2, a nanocrystalline structure is formed in the layer 15 inn thick in bulk of grains. Size of crystallization cells amounts to 100 - 200 nm, size of inclusions in cell junctions is 20 - 25 nm, and along cell boundaries it is 10 - 15 nm. Cells of high-velocity crystallization are enriched in Al and Ni. The Co atoms are homogeneously distributed along the surface layer volume. The most liquating element is Cr, the least liquating one is Co. The increase in energy density of electron beam to 30 J/cm2 doesn't lead to substantial (as compared to Es = 20 J/cm2 ) variations in surface layer structure. The irradiation mode (Es = 20 J/cm2, 50 is, 3 pulses, 0.3 Hz) is detected that allows formation of the surface layer with the highest level of homogeneity of chemical element distribution in the alloy.

высокоэнтропийный сплавпроволочно-дуговое аддитивное производствоимпульсный электронный пучокструктурафазовый и элементный составhigh-entropy alloywire-arc additive manufacturingpulsed electron beamstructurephase and elemental compositionРабота выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 20-19-00452.The work was supported by the grant of the Russian Science Foundation (project No. 20-19-00452).ReferencesГромов В.Е., Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф., Осинцев К.А., Рубанникова Ю.А., Перегудов О.А., Семин А.П. Высокоэнтропийные сплавы. Новокузнецк: Полиграфист, 2021. 179 с.Gromov V.E., Konovalov S.V., Ivanov Yu.F., Osintsev K.A., Ruban-nikova Yu.A., Peregudov O.A., Semin A.P. High-Entropy Alloys. Novokuznetsk: Poligrafist, 2021, 179 p. (In Russ.).Zhang Y. High-Entropy Materials. A Brief Introduction. Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2019. 152 p.Zhang Y. High-Entropy Materials. A Brief Introduction. Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2019, 152 p.Murty B.S., Yeh J.-W., Ranganathan S., Bhattacharjee P.P. High-Entropy Alloys. 2nd Edition. Amsterdam: Elsevier, 2019. 388 p.Murty B.S., Yeh J.-W., Ranganathan S., Bhattacharjee P.P. High-Entropy Alloys. 2nd Edition. Amsterdam: Elsevier, 2019, 388 p.Рогачев А.С. Структура, стабильность и свойства высокоэнтропийных сплавов // Физика металлов и металловедение. 2020. Т. 121. № 8. P. 807-841. https://doi.org/10.31857/S0015323020080094Rogachev A.S. Structure, stability, and properties of high-entropy alloys. Physics of Metals and Metallography. 2020, vol. 121, no. 8 pp. 733-764. https://doi.org/10.31857/S0015323020080094Громов В.Е., Рубанникова Ю.А., Коновалов С.В., Осинцев К.А., Воробьев С.В. Формирование улучшенных механических свойств высокоэнтропийного сплава Cantor // Известия вузов. Черная металлургия. 2021. Т. 64. № 8. С. 599-605. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-8-599-605Gromov V.E., Rubannikova Yu.A., Konovalov S.V., Osintsev K.A., Vorob'ev S.V. Generation of increased mechanical properties of Cantor high-entropy alloy. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2021, vol. 64, no. 8, pp. 599-605. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-8-599-605Wen L.H., Kou H.C., Li J.S., Chang H., Xue X.Y., Zhou L. Effect of aging temperature on microstructure and properties of AlCoCr-CuFeNi high-entropy alloy // Intermetallics. 2009. Vol. 17. No. 4. P. 266-269. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2008.08.012Wen L.H., Kou H.C., Li J.S., Chang H., Xue X.Y., Zhou L. Effect of aging temperature on microstructure and properties of AlCoCr-CuFeNi high-entropy alloy. Intermetallics. 2009, vol. 17, no. 4, pp. 266-269. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2008.08.012Ng C., Guo S., Luan J., Shi S., Liu C.T. Entropy-driven phase stability and slow diffusion kinetics in an Al0.5CoCrCuFeNi high entropy alloy // Intermetallics. 2012. Vol. 31. P. 165-172. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2012.07.001Ng C., Guo S., Luan J., Shi S., Liu C.T. Entropy-driven phase stability and slow diffusion kinetics in an Al0.5CoCrCuFeNi high entropy alloy. Intermetallics. 2012, vol. 31, pp. 165-172. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2012.07.001Jones N.G., Frezza A., Stone H.J. Phase equilibria of an Al0.5CrFeCoNiCu high entropy alloy // Materials Science and Engineering: A. 2014. Vol. 615. P. 214-221. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.07.059Jones N.G., Frezza A., Stone H.J. Phase equilibria of an Al0.5CrFeCoNiCu high entropy alloy. Materials Science and Engineering: A. 2014, vol. 615, pp. 214-221. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.07.059Shun T.-T., Du Y.-C. Age hardening of the Al0.3CoCrFeNiC0.1 high entropy alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2009. Vol. 478. No. 1-2. P. 269-272. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.12.014Shun T.-T., Du Y.-C. Age hardening of the Al0.3CoCrFeNiC0.1 high entropy alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2009, vol. 478, no. 1-2, pp. 269-272. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.12.014Kao Y.-F., Chen T.-J., Chen S.-K., Yeh J.-W. Microstructure and mechanical property of as-cast, -homogenized, and -deformed Al CoCrFeNi (0 < x < 2) high-entropy alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2009. Vol. 488. No. 1. P. 57-64. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.08.090Kao Y.-F., Chen T.-J., Chen S.-K., Yeh J.-W. Microstructure and mechanical property of as-cast, -homogenized, and -deformed AlxCoCrFeNi (0< x <2) high-entropy alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2009, vol. 488, no. 1, pp. 57-64. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.08.090Tsai C.-W., Chen Y.-L., Tsai M.-H., Yeh J.-W., Shun T.-T., Chen S.-K. Deformation and annealing behaviors of high-entropy alloy Al0.5CoCrCuFeNi // Journal of Alloys and Compounds. 2009. Vol. 486. No. 1-2. P. 427-435. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.06.182Tsai C.-W., Chen Y.-L., Tsai M.-H., Yeh J.-W., Shun T.-T., Chen S.-K. Deformation and annealing behaviors of high-entropy alloy Al0.5CoCrCuFeNi. Journal of Alloys and Compounds. 2009, vol. 486, no. 1-2, pp. 427-435. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.06.182Schuh B., Pippan R., Hohenwarter A. Tailoring bimodal grain size structures in nanocrystalline compositionally complex alloys to improve ductility // Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 748. P. 379-385. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.01.073Schuh B., Pippan R., Hohenwarter A. Tailoring bimodal grain size structures in nanocrystalline compositionally complex alloys to improve ductility. Materials Science and Engineering: A. 2019, vol. 748, pp. 379-385. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.01.073Xiao L.L., Zheng Z.Q., Guo S.W., Huang P., Wang F. Ultra-strong nanostructured CrMnFeCoNi high entropy alloys // Materials & Design. 2020. Vol. 194. Article 108895. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108895Xiao L.L., Zheng Z.Q., Guo S.W., Huang P., Wang F. Ultra-strong nanostructured CrMnFeCoNi high entropy alloys. Materials & Design. 2020, vol. 194, article 108895. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108895Li Z., Gokuldoss Pradeep K., Deng Y., Raabe D., Tasan C.C. Metastable high-entropy dual-phase alloys overcome the strength-ductility trade-off // Nature. 2016. Vol. 534 (7606). P. 227-230. https://doi.org/10.1038/nature17981Li Z., Gokuldoss Pradeep K., Deng Y., Raabe D., Tasan C.C. Metastable high-entropy dual-phase alloys overcome the strength-ductility trade-off. Nature. 2016, vol. 534 (7606), pp. 227-230. https://doi.org/10.1038/nature17981Otto F., Dlouhy A., Somsen Ch., Bei H., Eggeler G., George E.P. The influences of temperature and microstructure on the tensile properties of a CoCrFeMnNi highentropy alloy // Acta Materialia. 2013. Vol. 61. No. 15. P. 5743-5755. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.06.018Otto F., Dlouhy A., Somsen Ch., Bei H., Eggeler G., George E.P. The influences of temperature and microstructure on the tensile properties of a CoCrFeMnNi highentropy alloy. Acta Materialia. 2013, vol. 61, no. 15, pp. 5743-5755. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.06.018Coury F.G., Kaufman M., Clarke A.J. Solid-solution strengthening in refractory high entropy alloys // Acta Materialia. 2019. Vol. 175. P. 66-81. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.06.006Coury F.G., Kaufman M., Clarke A.J. Solid-solution strengthening in refractory high entropy alloys. Acta Materialia. 2019, vol. 175, pp. 66-81. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.06.006Gludovatz 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. Vol. 345. No. 6201. P. 1153-1158. https://doi.org/10.1126/science.1254581Gludovatz 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, vol. 345, no. 6201, pp. 1153-1158. https://doi.org/10.1126/science.1254581Mills W.J. Fracture toughness of type 304 and 316 stainless steels and their welds // International Materials Reviews. 1997. Vol. 42. No. 2. P. 45-82. https://doi.org/10.1179/imr.1997.42.2.45Mills W.J. Fracture toughness of type 304 and 316 stainless steels and their welds. International Materials Reviews. 1997, vol. 42, no. 2, pp. 45-82. https://doi.org/10.1179/imr.1997.42.2.45Strife J.R., Passoja D.E. The effect of heat treatment on microstructure and cryogenic fracture properties in 5Ni and 9Ni steel // Metallurgical Transactions A. 1980. Vol. 11. No. 8. P. 1341-1350. https://doi.org/10.1007/BF02653488Strife J.R., Passoja D.E. The effect of heat treatment on microstructure and cryogenic fracture properties in 5Ni and 9Ni steel. Metallurgical Transactions A. 1980, vol. 11, no. 8, pp. 1341-1350. https://doi.org/10.1007/BF02653488Zhang Y., Zuo T.T., Tang Z., Gao M.C., Dahmen K.A., Liaw P.K., Lu Z.P. Microstructures and properties of high-entropy alloys // Progress in Materials Science. 2014. Vol. 61. P. 1-93. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2013.10.001Zhang Y., Zuo T.T., Tang Z., Gao M.C., Dahmen K.A., Liaw P.K., Lu Z.P. Microstructures and properties of high-entropy alloys. Progress in Materials Science. 2014, vol. 61, pp. 1-93. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2013.10.001Cantor B. Multicomponent and high entropy alloys // Entropy. 2014. Vol. 16. No. 9. P. 4749-4768. https://doi.org/10.3390/e16094749Cantor B. Multicomponent and high entropy alloys. Entropy. 2014, vol. 16, no. 9, pp. 4749-4768. https://doi.org/10.3390/e16094749Miracle D.B., Senkov O.N. A critical review of high entropy alloys and related concepts // Acta Materialia. 2017. Vol. 122. P. 448-511. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.081Miracle D.B., Senkov O.N. A critical review of high entropy alloys and related concepts. Acta Materialia. 2017, vol. 122, pp. 448-511. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.081Zhang W., Lian P.K., Zhang Y. Science and technology in high-entropy alloys // Science China Materials. 2018. Vol. 61. No. 1. P. 2-22. https://doi.org/10.1007/s40843-017-9195-8Zhang W., Lian P.K., Zhang Y. Science and technology in high-entropy alloys. Science China Materials. 2018, vol. 61, no. 1, pp. 2-22. https://doi.org/10.1007/s40843-017-9195-8Громов В.Е., Аксенова К.В., Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф. Повышение усталостного ресурса силумина электронно-пучковой обработкой // Успехи физики металлов. 2015. Т. 16. № 4. С. 265-297. https://doi.org/10.15407/ufm.16.04.265Gromov V.E., Aksyonova K.V., Konovalov S.V., Ivanov Yu.F. Increase of a fatigue life of a silumin by electron-beam processing. Progress in Physics of Metals. 2015, vol. 16, no. 4, pp. 265-297. https://doi.org/10.15407/ufm.16.04.265Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф. Наноструктурирование поверхности металлокерамических и керамических материалов при импульсной электронно-пучковой обработке // Известия вузов. Физика. 2008. № 5. С. 60-70.Koval' N.N., Ivanov Yu.F. Nanostructuring of surface of metal-ceramic and ceramic materials with pulsed electron-beam processing. Izvestiya vuzov. Fizika. 2008, no. 5, pp. 60-70. (In Russ.).Ротштейн В.П., Проскуровский Д.И., Озур Г.Е., Иванов Ю.Ф. Модификация поверхностных слоев металлических материалов низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками. Новосибирск: СО РАН: Наука, 2019. 348 с.Rotshtein V.P., Proskurovskii D.I., Ozur G.E., Ivanov Yu.F. Modification of Surface Layers of Metallic Materials by Low-Energy High-Current Electron Beams. Novosibirsk: SB RAS: Nauka, 2019, 348 p. (In Russ.).Сильноточные электронные импульсные пучки для авиационного двигателестроения / В.А. Шулов, А.Г. Пайкин, А.С. Новиков и др.; под общ. ред. В.А. Шулова, А.С. Новикова, В.И. Энгелько. М.: Артек, 2012. 286 с.Shulov V.A., Paikin A.G., Novikov A.S., etc. High-Current Electronic Pulse Beams for Aircraft Engine Design. Shulov V.A., Novikov A.S., Engel'ko V.I. eds. Moscow: Artek, 2012, 286 p. (In Russ.).Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. Basel: Springer International Publishing, 2016. 196 p.Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. Basel: Springer International Publishing, 2016, 196 p.Kumar C.S.S.R. Transmission Electron Microscopy. Characterization of Nanomaterials. New York: Springer, 2014. 717 p.Kumar C.S.S.R. Transmission Electron Microscopy. Characterization of Nanomaterials. New York: Springer, 2014, 717 p.Carter C.B., Williams D.B. Transmission Electron Microscopy. Berlin: Springer International Publishing, 2016. 518 p.Carter C.B., Williams D.B. Transmission Electron Microscopy. Berlin: Springer International Publishing, 2016, 518 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.