blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-2-191-196blackmet-2512Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEМногослойные аморфно-кристаллические высокоэнтропийные металлические пленкиMultilayer amorphous-crystalline high-entropy metal filmshttps://orcid.org/0000-0001-8022-7958ИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

Юрий Федорович Иванов, д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники

Россия, 634055, Томск, пр. Академический 2/3

Yurii F. Ivanov, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Chief Researcher of the Laboratory of Plasma Emission Electronics

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

yufi55@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9381-872XПрокопенкоН. А.ProkopenkoN. A.

Никита Андреевич Прокопенко, младший научный сотрудник

Россия, 634055, Томск, пр. Академический 2/3

Nikita A. Prokopenko, Junior Researcher

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

nick08_phantom@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1959-1459ПетриковаЕ. А.PetrikovaE. A.

Елизавета Алексеевна Петрикова, младший научный сотрудник лаборатория плазменной эмиссионной электроники

Россия, 634055, Томск, пр. Академический 2/3

Elizaveta A. Petrikova, Junior Researcher of the Laboratory of Plasma Emission Electronics

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

petrikova@opee.hcei.tsc.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6148-9442ШугуровВ. В.ShugurovV. V.

Владимир Викторович Шугуров, научный сотрудник

Россия, 634055, Томск, пр. Академический 2/3

Vladimir V. Shugurov, Research Associate

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

shugurov@opee.hcei.tsc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5363-0108ТересовА. Д.TeresovA. D.

Антон Дмитриевич Тересов, научный сотрудник

Россия, 634055, Томск, пр. Академический 2/3

Anton D. Teresov, Research Associate

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

tad514@yandex.ruИнститут сильноточной электроники Сибирского отделения РАНРоссияInstitute of High Current Electronics, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202306062023662191196Copyright © Иванов Ю.Ф., Прокопенко Н.А., Петрикова Е.А., Шугуров В.В., Тересов А.Д., 20232023Иванов Ю.Ф., Прокопенко Н.А., Петрикова Е.А., Шугуров В.В., Тересов А.Д.Ivanov Y.F., Prokopenko N.A., Petrikova E.A., Shugurov V.V., Teresov A.D.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/2512

Высокоэнтропийные сплавы являются многоэлементными материалами и содержат не менее пяти элементов близкой концентрации. Высокоэнтропийные сплавы являются, как правило, однофазными термодинамически стабильными твердыми растворами замещения, преимущественно на основе объемноцентрированной кубической и гранецентрированной кубической кристаллической решеток. Стабилизация твердого раствора при кристаллизации высокоэнтропийного сплава обеспечивается взаимодействием ряда факторов, а именно, высокой энтропией смешения, низкой скоростью диффузии компонентов, малой скоростью роста кристаллитов из расплава. Целью настоящей работы являлось получение новых знаний о структуре и свойствах высокоэнтропийных пленок, синтезированных на металлической подложке при осаждении многоэлементной металлической плазмы в среде аргона. Плазма была сформирована в результате электродугового с плазменным ассистированием независимого распыления катодов титана, алюминия, меди, ниобия, циркония. В результате выполненных исследований выявлен режим осаждения, который позволяет формировать пленки различной толщины близкого к эквиатомному состава. Методами просвечивающей электронной микроскопии установлено, что пленки являются многослойными образованиями, имеют наноразмерную аморфно-кристаллическую структуру. Микротвердость пленок существенным образом зависит от соотношения количества образующих элементов и изменяется в пределах от 12 до 14 ГПа, модуль Юнга – от 230 до 310 ГПа. Кристаллизацию пленок осуществляли путем облучения импульсным электронным пучком. В результате обработки формируется двухфазное состояние. Основной фазой является α-NbZrTiAl с объемноцентрированной кубической кристаллической решеткой с параметром 0,32344 нм; вторая фаза состава CuZr имеет простую кубическую решетку.

High-entropy alloys (HEA) are multi-element materials and contain at least five elements of similar concentration. HEA are, as a rule, single- phase thermodynamically stable substitutional solid solutions, mainly based on a body-centered cubic and face-centered cubic crystal lattice. Solid solution stabilization during the crystallization of a high-entropy alloy is provided by the interaction of a number of factors, namely, a high mixing entropy and low diffusion rate of components, and a low growth rate of crystallites from the melt. The purpose of this work was to obtain new knowledge about the structure and properties of high-entropy films synthesized on a metal substrate during deposition of a multi-element metal plasma in argon atmosphere. The plasma was formed as a result of independent plasma-assisted electric arc cathodes of the following metals: Ti, Al, Cu, Nb, Zr sputtering. As a result of the performed studies, the deposition mode was revealed, which allows the formation of films of various thicknesses of close to equiatomic composition. Transmission electron microscopy methods have established that the films are multilayer formations and have nanoscale amorphous-crystalline structure. Microhardness of the films significantly depends on the ratio of number of the forming elements and varies from 12 to 14 GPa, Young’s modulus – from 230 to 310 GPa. Crystallization of the films was carried out by irradiation with a pulsed electron beam. As a result of processing, a two-phase state is formed. The main phase is α-NbZrTiAl with a volume-centered cubic crystal lattice with a parameter of 0.32344 nm; the second phase of CuZr composition has a simple cubic lattice.

высокоэнтропийный сплавпленка-подложкамногоэлементная плазмаимпульсный электронный пучокструктуратвердостьизносостойкостькоэффициент тренияhigh-entropy alloysubstrate filmmulti-element plasmapulsed electron beamstructurehardnesswear resistancefriction coefficientРабота выполнена при финансовой поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 20-58-00006 (анализ структуры пленки ВЭС) и гранта Российского научного фонда, проект № 19-19-00183, https://rscf.ru/project/19-19-00183/ (изготовление пленок ВЭС). Авторы выражают благодарность О.С. Толкачеву за активное участие в работе. Результаты ПЭМ-анализа получены на базе Научно-образовательного инновационного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» НИ ТПУ.The work was supported by the Russian Foundation for Basic Research, grant No. 20-58-00006 (analysis of the HEA film structure) and by Russian Science Foundation, grant No. 19-19-00183, https://rscf.ru/project/19-19-00183/ (production of HEA films). The authors express their gratitude to O.S. Tolkachev for active participation in the work. The results of the TEM analysis were obtained on the basis of the Scientific and Educational Innovation Center “Nanomaterials and Nanotechnologies” of the National Research Tomsk Polytechnic University.ReferencesYe Y.F., Wang Q., Lu J., Liu C.T., Yang Y. High-entropy alloy: challenges and prospects. Materials Today. 2016;19(6): 349–362. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2015.11.026Ye Y.F., Wang Q., Lu J., Liu C.T., Yang Y. High-entropy alloy: challenges and prospects. Materials Today. 2016;19(6): 349–362. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2015.11.026Cantor B., Chang I.T.H., Knight P., Vincent A.J.B. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. Material Science and Engineering: A. 2004;375-377: 213–218. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.257Cantor B., Chang I.T.H., Knight P., Vincent A.J.B. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. Material Science and Engineering: A. 2004;375-377: 213–218. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.257Yeh 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. Advanced Engineering Materials. 2004;6(5):299–303. https://doi.org/10.1002/adem.200300567Yeh 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. Advanced Engineering Materials. 2004;6(5):299–303. https://doi.org/10.1002/adem.200300567Mao H., Chen HL., Chen Q. TCHEA1: A thermodynamic database not limited for “high entropy” alloys. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2017;38:353–368. https://doi.org/10.1007/s11669-017-0570-7Mao H., Chen HL., Chen Q. TCHEA1: A thermodynamic database not limited for “high entropy” alloys. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2017;38:353–368. https://doi.org/10.1007/s11669-017-0570-7Pickering E.J., Jones N.G. High-entropy alloys: A critical assessment of their founding principles and future prospects. International Materials Reviews. 2016;61(3):183–202. https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1180020Pickering E.J., Jones N.G. High-entropy alloys: A critical assessment of their founding principles and future prospects. International Materials Reviews. 2016;61(3):183–202. https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1180020Погребняк А.Д., Багдасарян А.А., Якущенко И.В., Береснев В.М. Структура и свойства высокоэнтропийных сплавов и нитридных покрытий на их основе. Успехи химии. 2014;83(11):1027–1061. https://doi.org/10.1070/RCR4407Pogrebnyak A.D., Bagdasaryan A.A., Yakushchenko I.V., Beresnev V.M. The structure and properties of high-entropy alloys and nitride coatings based on them. Russian Chemical Reviews. 2014;83(11):1027–1061. (In Russ.). https://doi.org/10.1070/RCR4407Miracle D.B., Senkov O.N. A critical review of high entropy alloys and related concepts. Acta Materialia. 2017;122: 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;122: 448–511. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.081Praveen S., Kim H.S. High-entropy alloys: Potential candidates for high-temperature applications – An overview. Advanced Engineering Materials. 2018;20(1):1700645. https://doi.org/10.1002/adem.201700645Praveen S., Kim H.S. High-entropy alloys: Potential candidates for high-temperature applications – An overview. Advanced Engineering Materials. 2018;20(1):1700645. https://doi.org/10.1002/adem.201700645Nene S.S., Liu K., Frank M., Mishra R.S., Brennan R.E., Cho K.C., Li Z., Raabe D. Enhanced strength and ductility in a friction stir processing engineered dual phase high entropy alloy. Scientific Reports. 2017;7:16167. https://doi.org/10.1038/s41598-017-16509-9Nene S.S., Liu K., Frank M., Mishra R.S., Brennan R.E., Cho K.C., Li Z., Raabe D. Enhanced strength and ductility in a friction stir processing engineered dual phase high entropy alloy. Scientific Reports. 2017;7:16167. https://doi.org/10.1038/s41598-017-16509-9Li Zh., Körmann F., Grabowski B., Neugebauer J., Raabe D. Ab initio assisted design of quinary dual-phase high-entropy alloys with transformation-induced plasticity. Acta Materialia. 2017;136:262–270. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.07.023Li Zh., Körmann F., Grabowski B., Neugebauer J., Raabe D. Ab initio assisted design of quinary dual-phase high-entropy alloys with transformation-induced plasticity. Acta Materialia. 2017;136:262–270. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.07.023Basu S., Li Zh., Pradeep K.G., Raabe D. Strain rate sensiti­vity of a TRIP-assisted dual-phase high-entropy alloy. Frontiers in Materials. 2018;5. https://doi.org/10.3389/fmats.2018.00030Basu S., Li Zh., Pradeep K.G., Raabe D. Strain rate sensiti­vity of a TRIP-assisted dual-phase high-entropy alloy. Frontiers in Materials. 2018;5. https://doi.org/10.3389/fmats.2018.00030Li Zh., Tasan C.C., Springer H., Gault B., Raabe D. Interstitial atoms enable joint twinning and transformation induced plasticity in strong and ductile high-entropy alloys. Scientific Reports. 2017;7:40704. https://doi.org/10.1038/srep40704Li Zh., Tasan C.C., Springer H., Gault B., Raabe D. Interstitial atoms enable joint twinning and transformation induced plasticity in strong and ductile high-entropy alloys. Scientific Reports. 2017;7:40704. https://doi.org/10.1038/srep40704Трофименко Н.Н., Ефимочкин И.Ю., Большакова А.Н. Проблемы создания и перспективы использования жаропрочных высокоэнтропийных сплавов. Авиационные материалы и технологии. 2018;2(51):3–8. https://doi.org/10.18577/2071-9140-2018-0-2-3-8Trofimenko N.N., Efimochkin I.Yu., Bol’shakova A.N. Problems of creation and prospects of use of heat-resistant high-entropy alloys. Aviatsionnye materialy i tekhnologii. 2018; 2(51):3–8. (In Russ.). https://doi.org/10.18577/2071-9140-2018-0-2-3-8Juan C.-C., Tsai M.-H., Tsai C.-W., Lin C.-M., Wang W.-R., Yang C.0C., Chen S.-K., Lin S.-J., Yeh J.-W. Enhanced mechanical properties of HfMoTaTiZr and HfMoNbTaTiZr refractory high-entropy alloys. Intermetallics. 2015;62:76–83. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2015.03.013Juan C.-C., Tsai M.-H., Tsai C.-W., Lin C.-M., Wang W.-R., Yang C.0C., Chen S.-K., Lin S.-J., Yeh J.-W. Enhanced mechanical properties of HfMoTaTiZr and HfMoNbTaTiZr refractory high-entropy alloys. Intermetallics. 2015;62:76–83. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2015.03.013Schuh B., Mendez-Martin F., Völker B., George E.P., Cle­mens H., Pippan R., Hohenwarter A. Mechanical properties, microstructure and thermal stability of a nanocrystalline CoCrFeMnNi high-entropy alloy after severe plastic deformation. Acta Materialia. 2015;96:258–268. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.025Schuh B., Mendez-Martin F., Völker B., George E.P., Cle­mens H., Pippan R., Hohenwarter A. Mechanical properties, microstructure and thermal stability of a nanocrystalline CoCrFeMnNi high-entropy alloy after severe plastic deformation. Acta Materialia. 2015;96:258–268. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.025Gu J., Zou J., Sun S.-K., Wang H., Yu S.-Y., Zhang J., Wang W., Fu Z. Dense and pure high-entropy metal diboride ceramics sintered from selfsynthesized powders via boro/carbothermal reduction approach. Science China Materials. 2019;62(12):1898–1909. https://doi.org/10.1007/s40843-019-9469-4Gu J., Zou J., Sun S.-K., Wang H., Yu S.-Y., Zhang J., Wang W., Fu Z. Dense and pure high-entropy metal diboride ceramics sintered from selfsynthesized powders via boro/carbothermal reduction approach. Science China Materials. 2019;62(12):1898–1909. https://doi.org/10.1007/s40843-019-9469-4Gromov V.E., Konovalov S.V., Ivanov Yu.F., Osin­tsev K.A. Structure and Properties of High-Entropy Alloys. Springer Nature Switzerland AG, 2021:110. https://doi.org/10.1007/978-3-030-78364-8Gromov V.E., Konovalov S.V., Ivanov Yu.F., Osin­tsev K.A. Structure and Properties of High-Entropy Alloys. Springer Nature Switzerland AG, 2021:110. https://doi.org/10.1007/978-3-030-78364-8Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф., Тересов А.Д., Ахмадеев Ю.Х., Крысина О.В., Петрикова Е.А., Шугуров В.В., Лопатин И.В. Разработка комплексной технологии электронно-ионно-плазменного инжиниринга поверхности материалов и изделий. Наноинженерия. 2015;4(46):4–13.Koval’ N.N., Ivanov Yu.F., Teresov A.D., Akhma­deev Yu. Kh., Krysina O.V., Petrikova E.A., Shugurov V.V., Lopatin I.V. Development of complex technology of elect­ronic ion-plasma engineering of a surface of materials and products. Nanoinzheneriya. 2015;4(46):4–13. (In Russ.).Девятков B.Н., Коваль Н.Н., Щанин П.М. Получение сильноточных низкоэнергетичных электронных пучков в системах с плазменным эмиттером. Известия вузов. Физика. 2001;44(9):36–43.Devyatkov B.N., Koval’ N.N., Shchanin P.M. Obtaining high-current low-energy electron beams in systems with plasma emitter. Izvestiya vuzov. Fizika. 2001;44(9):36–43. (In Russ.).Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф. Наноструктурирование поверхности металлокерамических и керамических материалов при импульсной электронно-пучковой обработке. Известия вузов. Физика. 2008;51(5):60–70.Koval’ N.N., Ivanov Yu.F. Nanostructuring of surfaces of metalloceramic and ceramic materials by electron beams. Izvestiya vuzov. Fizika. 2008;51(5):60–70. (In Russ.).

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