Высокоэнтропииные сплавы: получение, свойства, практическое применение

В последние годы уникальные физико-механические свойства высокоэнотропийных сплавов (ВЭС) являются предметом повышенного внимания исследователей. Изучение термодинамических характеристик таких материалов может представлять интерес для формулировки принципов формирования структур с необходимыми функциональными характеристиками. Поскольку процессы структуро- и фазообразования, а также диффузионная подвижность атомов, механизм формирования механических свойств и термическая стабильность существенно отличаются от аналогичных процессов в традиционных сплавах, ВЭС выделены в особую группу материалов. Особенно интересны высокоэнтропийные сплавы на основе переходных тугоплавких металлов, таких как Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta и W. Легкие металлы, такие как Ti, V и Cr, выбираются для уменьшения плотности, а тугоплавкие, такие как Nb, Ta и W, отвечают, прежде всего, за прочностные характеристики всего материала. В работе представлен краткий обзор результатов исследования высокоэнтропийных сплавов в новой лаборатории ИМЕТ УрО РАН в 2019 г. Изучены две группы сплавов: ВЭС типа AlNbTiVZr, содержащие легкоплавкий алюминий, и ВЭС типа (Ti,V)ZrNbHf(Ta,W), содержащие исключительно тугоплавкие переходные металлы. При вариации соотношения компонентов в первой группе ВЭС установлены пределы существования неупорядоченных областей твердого раствора и интерметаллических соединений, характерных для данной системы. Для второй группы ВЭС сделан прогноз фазового состава, свойств и структуры на основе квантово-химических расчетов с привлечением первопринципной молекулярной динамики. Прогноз показал возможность или маловероятность формирования неупорядоченного твердого раствора в вышеупомянутых системах в присутствии или отсутствии конкретных химических элементов.

1. Yang X., Zhang Y., Liaw P.K. Microstructure and compressive properties of NbTiVTaAl^ high entropy alloys // Procedia Engineering. 2012. Vol. 36. P. 292 - 298.

2. Черниченко Р.С. Влияние термомеханической обработки на структуру и механические свойства высокоэнтропийного сплава типа CoCrFeNiMn, содержащего Al и С: Выпускная квалификационная работа ... канд. тех. наук. - Белгород: НИУ БелГУ 2018.

3. Юрченко Н.Ю. Разработка и исследование высокоэнтропийных сплавов с высокой удельной прочностью на основе системы Al-Cr-Nb-Ti-V-Zr: Автореф. дис. ... канд. тех. наук. - Екатеринбург: УрФУ 2019. - 20 с.

4. Vishwanadh B., Sarkar N., Gangil S. etc. Synthesis and microstructural characterization of a novel multicomponent equiatomic ZrNbAlTiV high entropy alloy // Scripta Materialia. 2016. Vol. 124. P. 146 - 150.

5. Sun X., Zhang H., Lu S. etc. Phase selection rule for Al-doped CrMnFeCoNi high-entropy alloys from first-principles // Acta Materialia. 2017. Vol. 140. P 366 - 374.

6. Zhang Y., Lu Z.P., Ma S.G. etc. Guidelines in predicting phase formation of high-entropy alloys // MRS Communications. 2014. Vol. 4. No. 2. P. 57 - 62.

7. Gao M.C., Yeh J.-W., Liaw P.K., Zhang Y. High-Entropy Alloys. - Switzerland: Springer International Publishing, 2016. - 13 p.

8. Yang X., Zhang Y. Prediction of high-entropy stabilized solid-solution in multicomponent alloys // Materials Chemistry and Physics. 2012. Vol. 132. P. 233 - 238.

9. Guo S., Ng C., Lu J., Lu C.T. Effect of valence electron concentration on stability of fcc or bcc phase in high entropy alloys // Journal of Applied Physics. 2011. Vol. 109. Article 103505.

10. Jiang L., Lu Y.P., Jiang H. etc. Formation rules of single phase solid solution in high entropy alloys // Mater. Sci. Technol. 2016. Vol. 32. No. 6. P. 588 - 592.

11. Gao M.C., Alman D.E. Searching for next single-phase high-entropy alloy compositions // Entropy. 2013. Vol. 15. No. 12. P. 4504 - 4519.

12. Singraber A., Morawietz T., Behler J., Dellago C. Parallel multistream training of high-dimensional neural network potentials // Journal of Chemical Theory and Computation. 2019. Vol. 15. No. 5. P. 3075 - 3092.

13. Dębski A., Dębski R., Gąsior W. New features of Entall database: comparison of experimental and model formation enthalpies // Archives of Metallurgy and Materials. 2014. Vol. 59. No. 4. P. 1337 - 1343.

14. The periodic table of the elements [Electronic resource]. URL:https://www.webelements.com (дата обращения 07.09.2019).

15. Информационный ресурс по свойствам материалов [Электронный ресурс]. URL: http://thermalinfo.ru/svojstva-materialov/metally-i-splavy/temperatura-plavleniya-i-kipeniya-metallov-plotnost-i-teploprovodnost.

16. Инженерный справочник DPVA [Электронный ресурс]. URL: https://dpva.ru/Guide/GuidePhysics/Length/AtomicRadius/(дата обращения 21.11.2019).

17. Thermo-Calc Software [Electronic resource]. Sweden, 2019. URL: https://www.thermocalc.com/ (дата обращения 21.11.2019).

18. Жилина Е.М., Красиков С.А., Агафонов С.Н. и др. Термодинамические и кинетические особенности совместного алюмино-термического восстановления титана и циркония из оксидов // Бутлеровские сообщения. 2016. Т. 45. № 1. С. 130 - 135.

19. Ведмидь Л.Б., Красиков С.А., Жилина Е.М. и др. Эволюция фазообразования при алюминотермическом восстановлении титана и циркония из оксидов // Расплавы. 2018. № 3. С. 330 - 335.

20. Осинкина Т. В., Красиков С.А., Жилина Е.М. и др. Влияние ниобия и тантала на особенности фазообразования при металлотермическом взаимодействии алюминия с диоксидом титана // Расплавы. 2018. № 5. С. 553 - 56.

21. Allibert M., Gaye H., Geiseler J. etc. Slag Atlas. 2nd edition. - Germany: Verlag Stahleisen GmbH, 1995. - 616 p.

22. Balyakin I.A., Gelchinski B.R., Rempel A.A. Ab initio molecular dynamics study of TiZrNbHfTa and VZrMoHfW liquid alloys // Mater. Today Commun. 2019. Vol. 21. Article 100627.

23. Zhang Y., Guo S., Liu C.T., Yang X. Phase formation rules // High-Entropy Alloys: Fundamentals and Applications. Springer International Publishing, 2016. P. 21 - 49.