blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-4-410-414blackmet-2576Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESСпеченные порошковые высокоэнтропийные катоды-мишени для износостойких покрытийSintered powder high-entropy target cathodes for wear-resistant coatingshttps://orcid.org/0000-0002-8239-5354ГригорьевС. Н.Grigor’evS. N.

Сергей Николаевич Григорьев, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой высокоэффективных технологий обработки

Россия, 127055, Москва, Вадковский пер., 1

Sergei N. Grigor’ev, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Chair of Highly Efficient Processing Technologies

1 Vadkovskii Lane, Moscow 127055, Russian Federation

s.grigoriev@stankin.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7075-5500МиграновМ. Ш.MigranovM. Sh.

Марс Шарифуллович Мигранов, д.т.н., профессор кафедры высокоэффективных технологий обработки

Россия, 127055, Москва, Вадковский пер., 1

Mars Sh. Migranov, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair of Highly Efficient Processing Technologies

1 Vadkovskii Lane, Moscow 127055, Russian Federation

migmars@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5302-5442ВолосоваМ. А.VolosovaM. A.

Марина Александровна Волосова, к.т.н., доцент кафедры высокоэффективных технологий обработки

Россия, 127055, Москва, Вадковский пер., 1

Marina A. Volosova, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair of Highly Efficient Processing Technologies

1 Vadkovskii Lane, Moscow 127055, Russian Federation

volosova1978@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-5629-4998ГусевА. С.GusevA. S.

Андрей Сергеевич Гусев, младший научный сотрудник кафедры высокоэффективных технологий обработки

Россия, 127055, Москва, Вадковский пер., 1

Andrei S. Gusev, Junior Researcher of the Chair of Highly Efficient Processing Technologies

1 Vadkovskii Lane, Moscow 127055, Russian Federation

gusev.angrey@bk.ruМосковский государственный технологический университет «СТАНКИН»РоссияMoscow State University of Technology “STANKIN”Russian Federation202316082023664410414Copyright © Григорьев С.Н., Мигранов М.Ш., Волосова М.А., Гусев А.С., 20232023Григорьев С.Н., Мигранов М.Ш., Волосова М.А., Гусев А.С.Grigor’ev S.N., Migranov M.S., Volosova M.A., Gusev A.S.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/2576

Современное машиностроительное производство, оснащенное высокопроизводительными мехатронными системами и станками с числовым программным и адаптивным управлением для лезвийной обработки резанием жаропрочных хромоникелевых и титановых сплавов, требует повышения эксплуатационных свойств режущего инструмента, работающего при высоких температурно-силовых нагрузках в контактной зоне и, соответственно, при существенном напряженно-деформированном состоянии режущего клина. Решение вопроса повышения износостойкости и работоспособности возможно как путем разработки и внедрения нового инструментального материала, так и применения износостойких покрытий. В работе представлены результаты по разработке технологии получения высокоэнтропийных катодов-мишеней путем искрового плазменного спекания с последующим нанесением износостойких покрытий на металлорежущий инструмент магнетронным и ионно-плазменными методами. Получены образцы спеченных высокоэнтропийных катодов-мишеней различных по составу композиций (более четырнадцати) при разных режимах спекания (в зависимости от температуры в пяти режимах) с последующей их оптимизацией, а также двух типоразмеров (20 и 80 мм) для дальнейшего использования для нанесения износостойких покрытий на магнетронной установке. Проведены структурный и фазовый анализы, а также исследование физико-механических свойств полученных высокоэнтропийных катодов-мишеней: плотности, твердости, электропроводности, эмиссионной способности. Экспериментально подтверждена возможность получения высокоэнтропийных катодов-мишеней методом искрового плазменного спекания, при этом показано влияние температуры спекания на структуру и свойства спеченных образцов высокоэнтропийных катодов-мишеней. Установлены зависимости физико-механических и электрофизических параметров катодов-мишеней от технологических режимов процесса искрового плазменного спекания.

Modern machine-building production equipped with high-performance mechatronic systems and numerically-controlled and adaptive control machines for blade cutting of heat-resistant chromium-nickel and titanium alloys requires increasing the operating properties of cutting tools working at high temperature-force loads in the contact zone, respectively with a significant stress-strain state of the cutting wedge. It is possible to solve the problem of increasing wear resistance and serviceability by developing and introducing new tooling material, as well as by applying wear-resistant coatings. The paper presents the results on development of technology for obtaining high-entropy target cathodes by spark plasma sintering with subsequent application of wear-resistant coatings on metal-cutting tools by both magnetron and ion-plasma methods. Samples of sintered high-entropy target cathodes of different compositions (more than fourteen) and at different modes of their sintering (depending on temperature in five modes) with their subsequent optimization and two standard sizes (20 and 80 mm) were obtained for further application of wear-resistant coatings on the magnetron unit. The authors carried out structural and phase analysis and studied physicomechanical properties of the obtained high-entropy target cathodes: density, hardness, electrical conductivity, emissivity. The possibility of obtaining high-entropy target cathodes by spark plasma sintering was confirmed experimentally, and the effect of sintering temperature on structure and properties of the sintered samples of high-entropy target cathodes was established. Dependence of physicomechanical and electrophysical parameters of target cathodes on technological modes of spark plasma sintering is shown.

спеченные порошковые высокоэнтропийные катоды-мишениискровое плазменное спеканиекомпозициятвердостьэлектро­проводностьплотностьструктурно-фазовый составsintered powder high-entropy target cathodesspark plasma sinteringcompositionhardnesselectrical conductivitydensitystructural-phase compositionИсследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 22-19-00670, https://rscf.ru/project/22-19-00670/.The study was supported by the Russian Science Foundation, grant No. 22-19-00670, https://rscf.ru/project/22-19-00670/.ReferencesCantor B. Multicomponent and high entropy alloys. Entropy. 2014;16 (9):4749–4768. http://doi.org/10.3390/e16094749Cantor B. Multicomponent and high entropy alloys. Entropy. 2014;16 (9):4749–4768. http://doi.org/10.3390/e16094749Murty B.S., Yeh J.-W., Ranganathan S., Bhattacharjee P.P. High-Entropy Alloys. Amsterdam: Elsevier; 2019:374.Murty B.S., Yeh J.-W., Ranganathan S., Bhattacharjee P.P. High-Entropy Alloys. Amsterdam: Elsevier; 2019:374.Gao M.C., Yeh J.-W., Liaw P.K., Zhang Y. High-Entropy Alloys: Fundamentals and Applications. Cham: Springer International Publishing; 2016:524.Gao M.C., Yeh J.-W., Liaw P.K., Zhang Y. High-Entropy Alloys: Fundamentals and Applications. Cham: Springer International Publishing; 2016:524.Zhang 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;61:1–93. http://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;61:1–93. http://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2013.10.001Фирстов С.А., Горбань В.Ф., Крапивка Н.А., Печковс­кий Э.П. Новый класс материалов – высокоэнтропийные сплавы и покрытия. Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2013;18(4–2):1938–1940.Firstov S.A., Gorban V.F., Krapivka N.A., Pechkovskii E.P. New class of materials – high-entropic alloys and coatings. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya: Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2013;18(4–2):1938–1940. (In Russ.).Кочетов Н.А., Рогачев А.С., Щукин А.С., Вадченко С.Г., Ковалев И.Д. Механическое сплавление с частичной аморфизацией многокомпонентной порошковой смеси Fe–Cr–Co–Ni–Mn и ее электроискровое плазменное спекание для получения компактного высокоэнтропийного материала. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2018;(2):35–42. http://doi.org/10.17073/1997-308X-2018-2-35-42Kochetov N.A., Rogachev A.S., Shchukin A.S., Vad­chen­ko S.G., Kovalev I.D. Mechanical alloying with partial amorphization of Fe–Cr–Co–Ni–Mn multicomponent powder mixture and its spark plasma sintering for compact high-entropy material production. Powder Metallurgy and Functional Coatings. 2018;(2):35–42. (In Russ.). http://doi.org/10.17073/1997-308X-2018-2-35-42Chen W., Anselmi-Tamburini U., Garay J.E., Groza J.R., Munir Z.A. Fundamental investigations on the spark plasma sintering/synthesis process. I. Effect of dc pulsing on reacti­vity. Materials Science and Engineering: A. 2005;394(1–2): 132–138. https://doi.org/10.1016/j.msea.2004.11.020Chen W., Anselmi-Tamburini U., Garay J.E., Groza J.R., Munir Z.A. Fundamental investigations on the spark plasma sintering/synthesis process. I. Effect of dc pulsing on reacti­vity. Materials Science and Engineering: A. 2005;394(1–2): 132–138. https://doi.org/10.1016/j.msea.2004.11.020Yeh J.-W., Chen Y.-L., Lin S.-J., Chen S.-K. High-entropy alloys – A new era of exploitation. Materials Science Forum. 2007; 560:1–9. http://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.560.1Yeh J.-W., Chen Y.-L., Lin S.-J., Chen S.-K. High-entropy alloys – A new era of exploitation. Materials Science Forum. 2007; 560:1–9. http://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.560.1Miracle D.B., Senkov O.N. A critical review of high entropy alloys and related concepts. Acta Materialia. 2017;122:448–511. http://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. http://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.081Zhang W., Liaw P.K., Zhang Y. Science and technology in high-entropy alloys. Science China Materials. 2018;61(1): 2–22. http://doi.org/10.1007/s40843-017-9195-8Zhang W., Liaw P.K., Zhang Y. Science and technology in high-entropy alloys. Science China Materials. 2018;61(1): 2–22. http://doi.org/10.1007/s40843-017-9195-8George E.P., Raabe D., Ritchie R.O. High-entropy alloys. Nature Reviews Materials. 2019;4:515–534. http://doi.org/10.1038/s41578-019-0121-4George E.P., Raabe D., Ritchie R.O. High-entropy alloys. Nature Reviews Materials. 2019;4:515–534. http://doi.org/10.1038/s41578-019-0121-4Рогачев А.С. Структура, стабильность и свойства высокоэнтропийных сплавов. Физика металлов и металловедение. 2020;121(8):807–841. http://doi.org/10.31857/S0015323020080094Rogachev A.S. Structure, stability and properties of high-entropy alloys. The Physics of Metals and Metallography. 2020;121(8):733–764. http://doi.org/10.1134/S0031918X20080098Singh S., Wanderka N., Glatzel U., Banhart J. Decomposition in multi-component AlCoCrCuFeNi high-entropy alloy. Acta Materialia. 2011;59(1):182–190. http://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.09.023Singh S., Wanderka N., Glatzel U., Banhart J. Decomposition in multi-component AlCoCrCuFeNi high-entropy alloy. Acta Materialia. 2011;59(1):182–190. http://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.09.023Senkov O.N., Wilks G.B., Scott J.M., Miracle D.B. Mechani­cal properties of Nb25Mo25Ta25W25 and V20Nb20Mo20Ta20W20 refractory high entropy alloys. Intermetallics. 2011;19(5): 698–706. http://doi.org/10.1016/j.intermet.2011.01.004Senkov O.N., Wilks G.B., Scott J.M., Miracle D.B. Mechani­cal properties of Nb25Mo25Ta25W25 and V20Nb20Mo20Ta20W20 refractory high entropy alloys. Intermetallics. 2011;19(5): 698–706. http://doi.org/10.1016/j.intermet.2011.01.004Фирстов С.А., Горбань В.Ф., Даниленко Н.И., Карпец М.В., Андреев А.А., Макаренко Е.С. Термостабильность сверхтвердых нитридных покрытий на основе многокомпонентного высокоэнтропийного сплава системы TiVZrNbHf. Порошковая металлургия. 2013;(9/10):93–102.Firstov S.A., Gorban’ V.F., Danilenko N.I., Karpets M.V., Andreev A.A., Makarenko E.S. Thermal stability of superhard nitride coatings based on multicomponent high-entropy alloy of the TiVZrNbHf system. Poroshkovaya metallurgiya. 2013;(9/10):93–102. (In Russ.).Oates W.A. Configurational entropies of mixing in solid alloys. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2007;28:79–89. http://doi.org/10.1007/s11669-006-9008-3Oates W.A. Configurational entropies of mixing in solid alloys. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2007;28:79–89. http://doi.org/10.1007/s11669-006-9008-3Otto F., Yang Y., Bei H., George E.P. Relative effects of enthalpy and entropy on the phase stability of equiatomic high-entropy alloys. Acta Materialia. 2013;61(7):2628–2638. http://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.01.042Otto F., Yang Y., Bei H., George E.P. Relative effects of enthalpy and entropy on the phase stability of equiatomic high-entropy alloys. Acta Materialia. 2013;61(7):2628–2638. http://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.01.042Tong C.-J., Chen Y.-L., Yeh J.-W., Lin S.-J., Chen S.-K., Shun T.-T., Tsau C.-H., Chang S.-Y. Microstructure characterization of AlxCoCrCuFeNi high-entropy alloy system with multiprincipal elements. Metallurgical and Materials Transactions A. 2005;36(4):881–893. https://doi.org/10.1007/s11661-005-0283-0Tong C.-J., Chen Y.-L., Yeh J.-W., Lin S.-J., Chen S.-K., Shun T.-T., Tsau C.-H., Chang S.-Y. Microstructure characterization of AlxCoCrCuFeNi high-entropy alloy system with multiprincipal elements. Metallurgical and Materials Transactions A. 2005;36(4):881–893. https://doi.org/10.1007/s11661-005-0283-0Tsai M.-H., Yeh J.-W. High-entropy alloys: a critical review. Materials Research Letters. 2014;2(3):107–123. http://doi.org/10.1080/21663831.20 14.912690Tsai M.-H., Yeh J.-W. High-entropy alloys: a critical review. Materials Research Letters. 2014;2(3):107–123. http://doi.org/10.1080/21663831.20 14.912690Gelchinski B.R., Balyakin I.A., Yuryev A.A., Rempel A.A. High-entropy alloys: properties and prospects of application as protective coatings. Russian Chemical Reviews. 2022;91(6):RCR5023. http://doi.org/10.1070/RCR5023Gelchinski B.R., Balyakin I.A., Yuryev A.A., Rempel A.A. High-entropy alloys: properties and prospects of application as protective coatings. Russian Chemical Reviews. 2022;91(6):RCR5023. http://doi.org/10.1070/RCR5023

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