blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-4-427-433blackmet-2582Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEСтруктура и свойства поверхностного слоя ВЭС после электронно-ионно-плазменной обработкиStructure and properties of HEA surface layer after electron-ion-plasma processinghttps://orcid.org/0000-0001-8022-7958ИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

Юрий Федорович Иванов, д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник

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/0000-0001-6148-9442ШугуровВ. В.ShugurovV. V.

Владимир Викторович Шугуров, научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники

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

Vladimir V. Shugurov, Research Associate of the Laboratory of Plasma Emission Electronics

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

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

Антон Дмитриевич Тересов, старший научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники

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

Anton D. Teresov, Senior Researcher of the Laboratory of Plasma Emission Electronics

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

tad514@sibmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-1959-1459ПетриковаЕ. А.PetrikovaE. A.

Елизавета Алексеевна Петрикова, младший научный сотрудник лаборатории 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

elizmarkova@yahoo.comhttps://orcid.org/0000-0002-4890-3730ЕфимовМ. О.EfimovM. O.

Михаил Олегович Ефимов, соискатель степени к.т.н. кафедры естественнонаучных дисциплин им. проф. В.М. Финкеля

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Mikhail O. Efimov, Candidates for a degree of Cand. Sci. (Eng.) of the Chair of Science named after V.M. Finkel’,

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

moefimov@mail.ruИнститут сильноточной электроники Сибирского отделения РАНРоссияInstitute of High Current Electronics, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation202318082023664427433Copyright © Иванов Ю.Ф., Шугуров В.В., Тересов А.Д., Петрикова Е.А., Ефимов М.О., 20232023Иванов Ю.Ф., Шугуров В.В., Тересов А.Д., Петрикова Е.А., Ефимов М.О.Ivanov Y.F., Shugurov V.V., Teresov A.D., Petrikova E.A., Efimov M.O.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/2582

Высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) являются наиболее активно исследуемыми материалами последних десятилетий. В настоящей работе ВЭС неэквиатомного состава AlCrFeCoNi изготовлен по технологии холодного переноса металла и исследован методами современного физического материаловедения. Выполнен анализ элементного и фазового составов, дефектной субструктуры и трибологических свойств поверхностного слоя ВЭС, сформированного в результате комплексной обработки, которая сочетает напыление пленки (B + Cr) и облучение импульсным электронным пучком в среде аргона. В исходном состоянии сплав имеет простую кубическую решетку с параметром 0,28795 мкм, средний размер зерна ВЭС составляет 12,3 мкм. Химический состав: 33,4 % Al; 8,3 % Сr; 17,1 % Fe; 5,4 % Co; 35,7 % Ni (ат.). Элементы распределены квазипериодически. Выявлен режим облучения (плотность энергии пучка электронов 20 Дж/см2; длительность облучения 200 мкс, количество импульсов 3; частота импульсов 0,3 с–1), который позволяет повысить микротвердость (почти в два раза) и износостойкость (более чем в пять раз), снизить коэффициент трения в 1,3 раза. При плотности энергии пучка электронов 20 Дж/см2 поверхность фрагментируется сеткой микротрещин. Размеры фрагментов изменяются в пределах 40 – 200 мкм. Увеличение плотности энергии пучка электронов приводит к полному растворению пленки (B + Cr). Независимо от величины плотности энергии пучка электронов ВЭС является однофазным материалом, имеет простую кубическую кристаллическую решетку. Высокоскоростная кристаллизация поверхностного слоя приводит к формированию субзеренной структуры (150 – 200 нм). Высказывается предположение, что увеличение прочностных и трибологических свойств ВЭС обусловлено существенным (в 4,5 раза) снижением среднего размера зерна, формированием частиц оксиборидов хрома и алюминия, внедрением атомов бора в кристаллическую решетку ВЭС.

High-entropy alloys (HEAs) are the most actively researched materials of recent decades. In the present work, the non-equiatomic AlCrFeCoNi wind turbine is manufactured using cold metal transfer technology and investigated by the methods of modern physical materials science. The authors analyzed the elemental and phase compositions, defective substructure and tribological properties of the HEA surface layer formed as a result of complex processing, which combines the deposition of a film (B + Cr) and irradiation with a pulsed electron beam in an argon medium. In the initial state, the alloy has a simple cubic lattice with a lattice parameter of 0.28795 μm, the average grain size of the HEA is 12.3 μm. Chemical composition of the HEA is as follows, at. %: 33.4 Al; 8.3 Cr; 17.1 Fe; 5.4 Co; 35.7 Ni. The elements are distributed quasi-periodically. The irradiation mode was revealed (electron-beam energy density 20 J/cm2; irradiation duration 200 μs, number of pulses 3; pulse frequency 0.3 s–1), which allows to increase microhardness (almost twice) and wear resistance (more than by five times), to reduce the friction coefficient by 1.3 times. At an electron-beam energy density of 20 J/cm2, the surface is fragmented by a grid of microcracks. Size of the fragments varies between 40 – 200 μm. An increase in the electron-beam energy density leads to complete dissolution of the film (B + Cr). Regardless of the magnitude of the electron-beam energy density, the wind turbine is a single-phase material and has a simple cubic crystal lattice. High-speed crystallization of the surface layer leads to the formation of a subgrain structure (150 – 200 nm). It is suggested that an increase in the strength and tribological properties of wind turbines is due to a significant (by 4.5 times) decrease in the average grain size, formation of chromium and aluminum oxide particles, and introduction of boron atoms into the crystal lattice of wind turbines.

высокоэнтропийный сплавтехнология холодного переноса металласистема пленка/подложкаэлектронно-ионно-плазменная обработкаэлементный и фазовый составдефектная структураhigh-entropy alloycold metal transfer technologyfilm/substrate systemelectron-ion-plasma processingelemental and phase compositiondefect structureРабота выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект № 19-19-00183), https://rscf.ru/project/19-19-00183/ – модифицирование ВЭС, исследование структуры и свойств модифицированного слоя ВЭС; при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 20-19-00452) – изготовление образцов ВЭС с помощью технологии холодного переноса металла.The work was supported by the Russian Science Foundation (project No. 19-19-00183 – modification of HEA, study of the structure and properties of the modified HEA layer; and project No. 20-19-00452 – production of HEA samples using cold metal transfer technology).ReferencesShivam V., Basu J., Pandey V.K., Shadangi Y., Mukhopadhyay N.K. Alloying behaviour, thermal stability and phase evolution in quinary AlCoCrFeNi high entropy alloy. Advanced Powder Technology. 2018;29(9):2221–2230. https://doi.org/10.1016/j.apt.2018.06.006Shivam V., Basu J., Pandey V.K., Shadangi Y., Mukhopadhyay N.K. Alloying behaviour, thermal stability and phase evolution in quinary AlCoCrFeNi high entropy alloy. Advanced Powder Technology. 2018;29(9):2221–2230. https://doi.org/10.1016/j.apt.2018.06.006Alshataif Y.A., Sivasankaran S., Al-Mufadi F.A., Alaboodi A.S., Ammar H.R. Manufacturing methods, microstructural and properties evolutions of high-entropy alloy: A review. Metals and Materials International. 2020;26:1099‒1133. https://doi.org/10.1007/s12540-019-00565-zAlshataif Y.A., Sivasankaran S., Al-Mufadi F.A., Alaboodi A.S., Ammar H.R. Manufacturing methods, microstructural and properties evolutions of high-entropy alloy: A review. Metals and Materials International. 2020;26:1099‒1133. https://doi.org/10.1007/s12540-019-00565-zGanesh U.L., Raghavendra H. Review on the transition from conventional to multicomponent-based nano-high-entropy alloys-NHEAs. Journal of Thermal Analysis and Calori­metry. 2020;139:207‒216. https://doi.org/10.1007/s10973-019-08360-zGanesh U.L., Raghavendra H. Review on the transition from conventional to multicomponent-based nano-high-entropy alloys-NHEAs. Journal of Thermal Analysis and Calori­metry. 2020;139:207‒216. https://doi.org/10.1007/s10973-019-08360-zGeorge E.P., Curtin W.A., Tasan C.C. High entropy alloys: A focused review of mechanical properties and deformation mechanisms. Acta Materialia. 2020;188:435–474. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.12.015George E.P., Curtin W.A., Tasan C.C. High entropy alloys: A focused review of mechanical properties and deformation mechanisms. Acta Materialia. 2020;188:435–474. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.12.015Cheng K.C., Chen J.H., Stadler S., Chen S.H. Properties of atomized AlCoCrFeNi high-entropy alloy powders and their phase-adjustable coatings prepared via plasma spray process. Applied Surface Science. 2019;478:478‒486. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.01.203Cheng K.C., Chen J.H., Stadler S., Chen S.H. Properties of atomized AlCoCrFeNi high-entropy alloy powders and their phase-adjustable coatings prepared via plasma spray process. Applied Surface Science. 2019;478:478‒486. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.01.203Miracle 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.2016.08.081Zhang W., Liaw P.K., Zhang Y. Science and techno­logy in high-entropy alloys. Science China Materials. 2018;61(1):2‒22. https://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. https://doi.org/10.1007/s40843-017-9195-8Осинцев К.А., Громов В.Е., Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф., Панченко И.А. Высокоэнтропийные сплавы: структура, механические свойства, механизмы деформации и применение. Известия вузов. Черная металлургия. 2021;64(4):249–258. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-4-249-258Osintsev K.A., Gromov V.E., Konovalov S.V., Ivanov Yu.F., Panchenko I.A. High-entropy alloys: Structure, mechanical properties, deformation mechanisms and application. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2021;64(4):249–258. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-4-249-258Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Загуляев Д.В., Коновалов С.В., Рубанникова Ю.А., Семин А.П. Перспективы применения поверхностной обработки сплавов электронными пучками в современных технологиях. Успехи физики металлов. 2020;21(3):345‒362. https://doi.org/10.15407/ufm.21.03.345Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Zagulyaev D.V., Konova­lov S.V., Rubannikova Yu.A., Semin A.P. Prospects for the application of surface treatment of alloys electron beams in state of the art technologies. Progress in Physics of metals. 2020;21(3):345‒362. https://doi.org/10.15407/ufm.21.03.345Gromov V.E., Konovalov S.V., Osintsev K.A. Structure and Properties of High Entropy Alloys. Springer; 2021;110.Gromov V.E., Konovalov S.V., Osintsev K.A. Structure and Properties of High Entropy Alloys. Springer; 2021;110.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 Materialia. 2014;81:428–441. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.08.026Wu 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 Materialia. 2014;81:428–441. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.08.026Schuh 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.2015.06.025Gali A., George E.P. Tensile properties of high- and medium-entropy alloys. Intermetallics. 2013;39:74–78. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2013.03.018Gali A., George E.P. Tensile properties of high- and medium-entropy alloys. Intermetallics. 2013;39:74–78. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2013.03.018Li Z., 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 Z., 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/srep40704Xiao L.L., Zheng Z.Q., Guo S.W., Huang P., Wang F. Ultra-strong nanostructured CrMnFeCoNi high entropy alloys. Materials and Design. 2020;194:108895. 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 and Design. 2020;194:108895. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108895Coury F.G., Kaufman M., Clarke A.J. Solid-solution strengthening in refractory high entropy alloys. Acta Materialia. 2019;175:66–81. 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;175:66–81. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.06.006Ikeda Y., Tanaka I., Neugebauer J., Körmann F. Impact of interstitial C on phase stability and stacking-fault energy of the CrMnFeCoNi high-entropy alloy. Physical Review Materials. 2019;3(11):113603. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.3.113603Ikeda Y., Tanaka I., Neugebauer J., Körmann F. Impact of interstitial C on phase stability and stacking-fault energy of the CrMnFeCoNi high-entropy alloy. Physical Review Materials. 2019;3(11):113603. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.3.113603Laplanche G., Kostka A., Horst O.M., Eggeler G., George E.P. Microstructure evolution and critical stress for twinning in the CrMnFeCoNi high-entropy alloy. Acta Materialia. 2016;118:152–163. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.07.038Laplanche G., Kostka A., Horst O.M., Eggeler G., George E.P. Microstructure evolution and critical stress for twinning in the CrMnFeCoNi high-entropy alloy. Acta Materialia. 2016;118:152–163. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.07.038Guo J., Goh M., Zhu Z., Lee X., Nai M.L.S., Wei J. On the machining of selective laser melting CoCrFeMnNi high-entropy alloy. Materials and Design. 2018;153:211‒220. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.05.012Guo J., Goh M., Zhu Z., Lee X., Nai M.L.S., Wei J. On the machining of selective laser melting CoCrFeMnNi high-entropy alloy. Materials and Design. 2018;153:211‒220. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.05.012Lindner T., Löbel M., Sattler B., Lampke T. Surface harde­ning of FCC phase high-entropy alloy system by powder-pack boriding. Surface and Coatings Technology. 2019;371: 389–394. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.10.017Lindner T., Löbel M., Sattler B., Lampke T. Surface harde­ning of FCC phase high-entropy alloy system by powder-pack boriding. Surface and Coatings Technology. 2019;371: 389–394. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.10.017

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