Формирование улучшенных механических свойств высокоэнтропийного сплава Cantor

Выполнен краткий обзор публикаций последних лет отечественных и зарубежных исследователей по изучению возможностей улучшения механических свойств пятикомпонентного высокоэнтропийного сплава (ВЭС) Cantor различного фазового состава в широком диапазоне температур. Этот один из первых, созданных эквимолярных ВЭС с ГЦК структурой несмотря на высокую ударную вязкость и повышенное сопротивление ползучести нуждается в улучшении механических свойств ввиду возможных областей использования. Отмечено, что создание бимодального распределения зерен по размерам путем интенсивной пластической деформации кручением при высоком давлении 7,8 ГПа литого сплава и последующего кратковременного отжига при 873 и 973 К способно значительно изменить прочностные и пластические свойства. Для полученного методом магнетронного распыления ВЭС и последующего отжига при 573 К достигался наноразмерный масштаб зерен, окруженных аморфной оболочкой. В таком двухфазном сплаве нанотвердость составляла 9,44 ГПа, а модуль упругости 183 ГПа. Используя эффект пластичности, индуцированной фазовым превращением в сплаве (CrMnFeCoNi)50Fe50, полученном методом лазерной аддитивной технологии, достигался предел прочности 415 – 470 МПа при высоком уровне пластичности до 77 %. Это обеспечивалось бездиффузионным ГЦК → ОЦК превращением. Показано, что различие в виде механизмов пластической деформации литого сплава при 77 и 293 К (дислокационное скольжение и двойникование) определяет комбинацию повышенных свойств прочность – пластичность. Предварительно продеформированные при 77 К образцы для формирования нанодвойников при последующем нагружении при 293 К проявляют повышенную прочность и пластичность по сравнению с недеформированными. Для ВЭС, полученного по лазерной аддитивной технологии, также справедлив этот путь повышения свойств. Отмечен путь улучшения механических свойств за счет электронно­пучковой обработки. Обращено внимание на необходимость учета роли энтропии, искажений кристаллической решетки, ближнего порядка, слабой диффузии и «коктейль» эффекта в анализе механических свойств.

1. Yeh J.W. Alloy design strategies and future trends in high­entropy alloys // JOM. The Journal of the minerals, metals and materials society. 2013. Vol. 65. No. 12. P. 1759–1771. https://doi.org/10.1007/s11837-013-0761-6

2. Yeh J.W. Recent progress in high­entropy alloys // Annales de Chimie: Science des Materiaux. 2006. Vol. 31. No. 6. P. 633–648. https://doi.org/10.3166/acsm.31.633-648

3. Осинцев 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. Т. 64. № 4. С. 249–258. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-4-249-258

4. Громов В.Е., Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф., Осинцев К.А., Рубанникова Ю.А., Перегудов О.А., Семин А.П. Высокоэнтропийные сплавы. Новокузнецк: Полиграфист, 2021. 178 с.

5. Li Z., Zhao S., Ritchie R.O., Meyers M.A. Mechanical properties of high­entropy alloys with emphasis on face­centered cubic alloys // Progress in Materials Science. 2019. Vol. 102. P. 296–345. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.12.003

6. Cantor B., Chang I.T.H., Knight P., Vincent A.J.B. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys // Materials Science and Engineering: A. 2004. Vol. 375­77. P. 213–218. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.257

7. Otto F., Dlouhý A., Somsen Ch., Bei H., Eggeler G., George E.P. The influences of temperature and microstructure on the tensile properties of a CoCrFeMnNi high­entropy alloy // Acta Materialia. 2013. Vol. 61. No. 15. P. 5743–5755. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.06.018

8. Schuh B., Mendez­Martin F., Völker B., George E.P., Clemens H., Pippan R., Hohenwarter A. Mechanical properties, microstructure and thermal stability of a nanocrystalline CoCrFeMnNi high­entropy alloy after severe plastic deformation // Acta Materialia. 2015. Vol. 96. P. 258–268. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.025

9. Li Z., Tasan C.C., Springer H., Gault B., Raabe D. Interstitial atoms enable joint twinning and transformation induced plasticity in strong and ductile high­entropy alloys // Scientifc Reports. 2017. Vol. 7. Article 40704. https://doi.org/10.1038/srep40704

10. Xiao L.L., Zheng Z.Q., Guo S.W., Huang P., Wang F. Ultra­strong nanostructured CrMnFeCoNi high entropy alloys // Materials and Design. 2020. Vol. 194. Article 108895. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108895

11. Coury F.G., Kaufman M., Clarke A.J. Solid­solution strengthening in refractory high entropy alloys // Acta Materialia. 2019. Vol. 175. P. 66–81. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.06.006

12. Ikeda Y., Tanaka I., Neugebauer J., Körmann F. Impact of interstitial C on phase stability and stacking­fault energy of the CrMnFeCoNi high­entropy alloy // Physical Review Materials. 2019. Vol. 3. No. 11. Article 113603. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.3.113603

13. Laplanche G., Kostka A., Horst O.M., Eggeler G., George E.P. Microstructure evolution and critical stress for twinning in the CrMnFeCoNi high­entropy alloy // Acta Materialia. 2016. Vol. 118. P. 152–163. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.07.038

14. Li F., Zhao H., Yue Y., Yang Z., Zhang Y., Guo L. Dual­phase super­strong and elastic ceramic // ACS Nano. 2019. Vol. 13. No. 4. P. 4191–4198. https://doi.org/10.1021/acsnano.8b09195

15. Gludovatz B., Hohenwarter A., Catoor D., Chang E.H., George E.P., Ritchie R.O. A fracture­resistant high­entropy alloy for cryogenic applications // Science. 2014. Vol. 345. No. 6201. P. 1153. https://doi.org/10.1126/science.1254581

16. Li Z., Körmann F., Grabowski B., Neugebauer J., Raabe D. Ab initio assisted design of quinary dual­phase high­entropy alloys with transformation­induced plasticity // Acta Materialia. 2017. Vol. 136. P. 262–270. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.07.023

17. Schuh B., Völker B., Todt J., Kormout K.S., Hohenwarter A., Schell N. Influence of annealing on microstructure and mechanical properties of a nanocrystalline CrCoNi medium­entropy alloy // Materials. 2018. Vol. 11. No. 5. Article 662. https://doi.org/10.3390/ma11050662

18. Усталость сталей, модифицированных высокоинтенсивными электронными пучками / В.Е. Громов, Ю.Ф. Иванов, С.В. Воробьев, С.В. Горбунов, Д.А. Бессонов, В.В. Сизов, С.В. Коновалов. Новокузнецк: Интер­Кузбасс, 2012. 403 с.

19. Коновалов С.В., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф. Влияние электромагнитных полей и токов на пластическую деформацию металлов и сплавов. Новокузнецк: Интер­Кузбасс, 2013. 293 с.

20. Громов В.Е., Аксенова К.В., Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф. Повышение усталостного ресурса силумина электронно­пучковой обработкой // Успехи физики металлов. 2015. Т. 16. № 4. С. 265–297.

21. Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Glezer A.M., Konovalov S.V., Alsaraeva K.V. Structural evolution of silumin treated with a high­intensity pulse electron beam and subsequent fatigue loading up to failure // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics. 2015. Vol. 79. No. 9. P. 1169–1172. https://doi.org/10.3103/S1062873815090087

22. Ranganathan S. Alloyed pleasures: Multimetallic cocktails // Current Science. 2003. Vol. 85. P. 1404–1406.

23. Schuh B., Pippan R., Hohenwarter A. Tailoring bimodal grain size structures in nanocrystalline compositionally complex alloys to improve ductility // Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 748. P. 379–385. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.01.073

24. Tian Y.Z., Gao S., Zhao L.J., Lu S., Pippan R., Zhang Z.F., Tsuji N. Remarkable transitions of yield behavior and Lüders deformation in pure Cu by changing grain sizes // Scripta Materialia. 2018. Vol. 142. P. 88–91. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2017.08.034

25. Abhijit A., Varghese J., Chalavadi P., Sai Karthik P., Bhanu Sankara Rao K., Rajulapati K.V. Negative strain rate sensitivity in two­phase nanocrystalline CoCrFeMnNi high­entropy alloy with broader grain size distribution studied by nanoindentation // Transactions of the Indian Institute of Metals. 2019. Vol. 72. No. 10. P. 2861–2867. https://doi.org/10.1007/s12666-019-01762-5

26. Li Z., Gokuldoss Pradeep K., Deng Y., Raabe D., Tasan C.C. Metastable high­entropy dual­phase alloys overcome the strength­ductility trade­off // Nature. 2016. Vol. 534. P. 227–230. https://doi.org/10.1038/nature17981

27. Bae J.W., Seol J.B., Moon J., Sohn S.S., Jang M.J., Um H.Y., Lee B.­J., Kim H.S. Exceptional phase­transformation strengthening of ferrous medium­entropy alloys at cryogenic temperatures // Acta Materialia. 2018. Vol. 161. P. 388–399. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.09.057

28. Li J., Luan H., Zhou L., Amar A., Li R., Huang L., Liu X., Le G., Wang X., Wu J., Jiang C. Phase transformation – induced strengthening of an additively manufactured multi­principal element CrMnFeCoNi alloy // Materials and Design. 2020. Vol. 195. Article 108999. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108999

29. Huang H., Wu Y., He J., Wang H., Liu X., An K., Wu W., Lu Z. Phase­transformation ductilization of brittle high­entropy alloys via metastability engineering // Advanced Materials. 2017. Vol. 29. No. 30. Article 1701678. https://doi.org/10.1002/adma.201701678

30. Laplanche G., Kostka A., Horst O.M., Eggeler G., George E.P. Microstructure evolution and critical stress for twinning in the CrMnFeCoNi high­entropy alloy // Acta Materialia. 2016. Vol. 118. P. 152–163. http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2016.07.038

31. Qiu Z., Yao C., Feng K., Li Z., Chu P.K. Cryogenic deformation mechanism of CrMnFeCoNi high­entropy alloy fabricated by laser additive manufacturing process // International Journal of Lightweight Materials and Manufacture. 2018. Vol. 1. No. 1. P. 33–39. https://doi.org/10.1016/j.ijlmm.2018.02.001

32. Otto F., Dlouhý A., Somsen C., Bei H., Eggeler G., George E.P. The influences of temperature and microstructure on the tensile properties of a CoCrFeMnNi high­entropy alloy // Acta Materialia. 2013. Vol. 61. No. 15. P. 5743–5755. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.06.018

33. Осинцев К.А., Громов В.Е., Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф., Панченко И.А., Чэнь C. Влияние облучения импульсным электронным пучком на структуру поверхности не эквиатомного высокоэнтропийного сплава AlCoFeCrNi // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2021. № 8. С. 76–81. https://doi.org/10.31857/S1028096021080112