Деформационное поведение высокоэнтропий- ного сплава системы Al – Co – Cr – Fe – Ni, изготовленного методом проволочно-дугового аддитивного производства

По технологии проволочно-дугового аддитивного производства (WAAM) в атмосфере чистого аргона получен неэквиатомный высокоэнтропийный сплав (ВЭС) системы Al – Co – Cr – Fe – Ni. Исходная проволока состояла из трех жил различного химического состава: чистая алюминиевая проволока (99,95 % Al), хромоникелевая проволока (≈20 % Cr, ≈80 % Ni), проволока из кобальтового сплава (≈17 % Co, ≈54 % Fe, ≈29 % Ni). Полученная заготовка высокоэнтропийного сплава представляла собой параллелепипед, состоящий из 20 наплавленных слоев в высоту и четырех слоев в толщину. Сплав имел следующий элементный состав, выявленный методами энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, % (ат.): алюминий (35,67 ± 1,34), никель (33,79 ± 0,46), железо (17,28 ± 1,83), хром (8,28 ± 0,15), кобальт (4,99 ± 0,09). Методом сканирующей электронной микроскопии обнаружено, что исходный материал имеет дендритную структуру и содержит на границах зерен частицы второй фазы. Карты распределения элементов, полученные методами картирования, показали, что объемы зерен обогащены алюминием и никелем, тогда как границы зерен содержат хром и железо. Кобальт распределен в кристаллической решетке полученного ВЭС квазиоднородно. Показано, что при испытаниях на растяжение разрушение материала произошло по механизму внутризеренного скола. Выявлено формирование хрупких трещин вдоль границ и в стыках границ зерен, т. е. в местах, содержащих включения вторых фаз. Высказано предположение, что одной из причин повышенной хрупкости ВЭС, изготовленного методом проволочно-дугового аддитивного производства, является выявленное неравномерное распределение элементов в микроструктуре сплава, а также наличие в объеме материала несплошностей различной формы и размеров.

высокоэнтропийный сплав, Al – Co – Cr – Fe – Ni, проволочно-дуговое аддитивное производство, деформация, испытания на растяжение, структура поверхности разрушения, элементный состав, сканирующая электронная микроскопия, хрупкий излом

1. Lim X. Mixed-up metals make for stronger, tougher, stretchier alloys // Nature. 2016. Vol. 533. No. 7603. P. 306–307. https://doi.org/10.1038/533306a

2. Li Z., Pradeep K.G., Deng Y., Raabe D., Tasan C.C. Metastable high-entropy dual-phase alloys overcome the strength-ductility trade-off // Nature. 2016. Vol. 534. No. 7606. P. 227–230. https://doi.org/10.1038/nature17981

3. Shaysultanov D., Stepanov N., Malopheyev S., Vysotskiy I., Sanin V., Mironov S., Kaibyshev R., Salishchev G., Zherebtsov S. Friction stir welding of a сarbon-doped CoCrFeNiMn high-entropy alloy // Materials Characterization. 2018. Vol. 145. P. 353–361. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.08.063

4. Jin B., Zhang N., Yu H., Hao D., Ma Y. Al x CoCrFeNiSi high entropy alloy coatings with high microhardness and improved wear resistance // Surface and Coatings Technology. 2020. Vol. 402. Article 126328. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126328

5. Pogrebnjak 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. Vol. 83. No. 11. P. 1027–1061. https://doi.org/10.1070/RCR4407

6. Klimova M., Shaysultanov D.G., Semenyuk A., Zherebtsov S. Effect of carbon on recrystallised microstructures and properties of CoCrFeMnNi-type high-entropy alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 851. Article 156839. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156839

7. Yeh J.-W., Chen S.-K., Lin S.-J., 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. Vol. 6. No 5. P. 299–303. https://doi.org/10.1002/adem.200300567

8. Godlewska E.M., Mitoraj-Królikowska M., Czerski J. Jawańska M., Gein S., Hecht U. Corrosion of Al(Co)CrFeNihigh-entropy alloys // Frontiers in Materials. 2020. Vol. 7. Article 566336. https://doi.org/10.3389/fmats.2020.566336

9. Zhang Y., Zuo 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.2013.10.001

10. Uporov S.A., Ryltsev R.E., Bykov V.A., Estemirova S.Kh., Zamyatin D.A. Microstructure, phase formation and physical properties of AlCoCrFeNiMn high-entropy alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 820. Article 153228. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.153228

11. Rogal L., Szklarz Z., Bobrowski P., Kalita D., Garzel G., Tarasek A., Kot M., Szlezynger M. Microstructure and mechanical properties of Al–Co–Cr–Fe–Ni base high entropy alloys obtained using powder metallurgy // Metals and Materials International. 2019. Vol. 25. No. 4. P. 930–945. https://doi.org/10.1007/s12540-018-00236-5

12. Su Y., Luo S., Wang Z. Microstructure evolution and cracking behaviors of additively manufactured Al x CrCuFeNi 2 high entropy alloys via selective laser melting // Journal of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 842. Article 155823. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155823

13. Shen Q., Kong X., Chen X. Fabrication of bulk Al–Co–Cr–FeNi high-entropy alloy using combined cable wire arc additive manufacturing (CCW-AAM): Microstructure and mechanical properties // Journal of Materials Science and Technology. 2021. Vol. 74. P. 136–142. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.037

14. Chen X., Su C., Wang Y., Siddiquee A.N., Konovalov S., Sing R.A. Cold metal transfer (CMT) based wire and arc additive manufacture (WAAM) system // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2018. Vol. 12. No. 6. P. 1278–1284. https://doi.org/10.1134/S102745101901004X

15. Liu K., Chen X., Shen Q., Pan Z., Singh R.A., Jayalakshmi S., Konovalov S. Microstructural evolution and mechanical properties of deep cryogenic treated Cu–Al–Si alloy fabricated by Cold Metal Transfer (CMT) process // Materials Characterization. 2020. Vol. 159. Article 110011. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2019.110011

16. Ngo T.D., Kashani A., Imbalzano G., Nguyen K.TQ., Hui D. Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges // Composites Part B: Engineering. 2018. Vol. 143. P. 172–196. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.02.012

17. Panin A.V., Kazachenok M.S. Panin S.V., Berto F. Scale levels of quasi-static and dynamic fracture behavior of Ti-6Al-4V parts built by various additive manufacturing methods // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2020. Vol. 110. Article 102781. https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2020.102781

18. Konovalov S., Osintsev K., Golubeva A., Smelov V., Ivanov Yu., Chena X., Komissarova I. Surface modification of Ti-based alloy by selective laser melting of Ni-based superalloy powder // Journal of Materials Research and Technology. 2020. Vol. 9. No. 4. P. 87968807. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.06.016

19. Sistla H.R., Newkirk J.W., Liou F.F. Effect of Al/Ni ratio, heat treatment on phase transformations and microstructure of Al x FeCoCrNi 2–x (x = 0.3, 1) high entropy alloys // Materials and Design. 2015. Vol. 81. P. 113–121. https://doi.org/10.1016/J.MATDES.2015.05.027

20. Brooks C.R., McGill B.L. The application of scanning electron microscopy to fractography // Materials Characterization. 1994. Vol. 33. No. 3. P. 195–243. https://doi.org/10.1016/1044-5803(94)90045-0