Применение высокоэнтропийных сплавов

Из накопленной информации о структуре, свойствах, стабильности, методах получения высокоэнтропийных сплавов (ВЭС), созданных в начале XXI века, следует, что они обладают целым комплексом полезных свойств, что предполагает их перспективное использование в разных отраслях промышленности. Выполнен краткий обзор работ последних 5 лет по анализу возможностей применения ВЭС в конкретных наукоемких отраслях. В биомедицине защитные покрытия из ВЭС (TiZrNbHfTa)N и (TiZrNbHfTa)O обладают биосовместимостью, высоким уровнем механических свойств, высокой износо- и коррозионной стойкостью в физиологических средах, отличной адгезией. Изделия из (MoTa)_χNbTiZr успешно прошли клинические испытания, будучи имплантированными в живую мышечную ткань. Разработанные ВЭС на основе редкоземельных элементов и металлов группы Fe типа YbTbDyAlMe (Me = Fe, Co, Ni) обладают магнитокалорическим эффектом, имеют температуру Кюри, близкую к комнатной, и могут быть использованы в современных рефрижераторных устройствах. Изменяя стехиометрический состав ВЭС CoCrFeNiTi, легируя их и проводя термическую обработку, удается получить магнитомягкие материалы. Приведены области применения ВЭС в качестве катализаторов окисления аммиака (PtPdRhRuCe), разложения аммиака (RuRhCoNiIr), окисления ароматических спиртов (Co_0,2Ni_0,2Cu_0,2Mg_0,2Zn_0,2 ), электрокатализаторов выделения водорода (Ni₂₀Fe₂₀Mo₁₀Cr₁₅Co₃₅ ), реакций окисления-восстановления (AlCuNiPtMn и AlNiCuPtPdAu), окисления метанола/этанола. ВЭС могут использоваться в качестве электродов - анодов и катодов для Li-ионных и Na-ионных аккумуляторов. Синтезированный нанопористый ВЭС AlCoCrFeNi обладает высокой объемной плотностью (до 700 Ф/см³ ) и циклической стабильностью ( >3000 циклов) и используется в суперконденсаторах. Высокоэнтропийные оксиды типа (MgNiCoCuZn)_0,95Li_0,05O с высокими диэлектрическими свойствами в широком частотном диапазоне могут использоваться в электронных преобразователях. Приведены примеры применения ВЭС в качестве покрытий деталей судов, эксплуатирующихся в морской воде, разнородных сварных соединений, деталей ядерных реакторов. Указаны перспективы расширения областей применения ВЭС.

1. 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. 375-377. P. 213-218. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.257

2. Высокоэнтропийные сплавы / В.Е. Громов, С.В. Коновалов, Ю.Ф. Иванов, К.А. Осинцев, Ю.А. Рубанникова, О.А. Перегудов, А.П. Семин. Новокузнецк: Полиграфист, 2021. 179 с.

3. Huang Y.S., Chen L., Lui H.W., Cai M.H., Yeh J.W. Microstructure, hardness, resistivity and thermal stability of sputtered oxide films of AlCoCrCu0.5NiFe high-entropy alloy // Materials Science and Engineering: A.0.25007. Vol. 457. No. 1-2. P. 77-83. https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.12.001

4. Tung C.C., Yeh J.W., Shun T.T., Chen S.K., Huang Y.S., Chen H.C. On the elemental effect of AlCoCrCuFeNi high-entropy alloy system // Materials Letters. 2007. Vol. 61. No. 1. P. 1-5. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2006.03.140

5. Zhou Y.J., Zhang Y., Kim T.N., Chen G.L. Microstructure characterizations and strengthening mechanism of multi-principal component AlCoCrFeNiTi0.5 solid solution alloy with excellent mechanical properties // Materials Letters. 2008. Vol. 62. No. 17-18. P. 2673-2676. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2008.01.011

6. Chang H.W., Huang P.K., Yeh J.W., Davison A., Tsau C.H., Yang C.C. Influence of substrate bias, deposition temperature and post-deposition annealing on the structure and properties of multiprincipal-component (AlCrMoSiTi)N coatings // Surface and Coatings Technology. 2008. Vol. 202. No. 14. P. 3360-3366. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.12.014

7. Погребняк А.Д., Багдасарян А.А., Якущенко И.В., Береснев В.М. Структура и свойства высокоэнтропийных сплавов и нитридных покрытий на их основе // Успехи химии. 2014. Т. 83. № 11. P. 1027-1061. https://doi.org/10.1070/RCR4407

8. Huang P.K., Yeh J.W., Shun T.T., Chen S.K. Multi-Principal-Element Alloys with Improved Oxidation and Wear Resistance for Thermal Spray Coating // Advanced Engineering Materials. 2004. Vol. 6. No. 1-2. P. 74-78. https://doi.org/10.1002/adem.200300507

9. Hsu C.Y., Yeh J.W., Chen S.K., Shun T.T. Wear resistance and high-temperature compression strength of FCC CuCoNiCrAl0.5Fe alloy with boron addition // Metallurgical and Material Transaction: A. 2004. Vol. 35. P. 1465-1469. https://doi.org/10.1007/s11661-004-0254-x

10. Tsai M.H., Yeh J.W., Gan J.Y. Diffusion barrier properties of AlMoNbSiTaTiVZr high-entropy alloy layer between copper and silicon // Thin Solid Films. 2008. Vol. 516. No. 16. P. 5527-5530. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2007.07.109

11. Zhu G., Liu Y., Ye J. Early high-temperature oxidation behaviour of Ti(C, N)-based cermets with multi-component AlCoCrFeNi high-entropy alloy binder // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2014. Vol. 44. P. 35-41. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2014.01.005

12. Gludovatz B., Hohenwarter A., Catoor D., Chang E.H., George E.P., Ritchie R.O. A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications // Science. 2014. Vol. 345. No. 6201. P. 1153-1158. https://doi.org/10.1126/science.1254581

13. Xia S.Q., Yang X., Yang T.F., Liu S., Zhang Y. Irradiation resistance in AlxCoCrFeNi high entropy alloys // JOM. 2015. Vol. 67. P. 2340-2344. https://doi.org/10.1007/s11837-015-1568-4

14. Chuang M.-H., Tsai M.-H., Wang W.-R., Lin S.-J., Yeh J.-W. Microstructure and wear behavior of AlxCo1.5CrFeNi1.5Tiy high-entropy alloys // Acta Materialia. 2011. Vol. 59. No. 16. P. 6308-6317. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.06.041

15. Senkov O.N., Wilks G.B., Miracle D.B., Chuang C.P., Liaw P.K. Refractory high-entropy alloys // Intermetallics. 2010. Vol. 18. No. 9. P. 1758-1765. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2010.05.014

16. Zou Y., Maiti S., Steurer W., Spolenak R. Size-dependent plasticity in an Nb25Mo25Ta25W25 refractory high-entropy alloy // Acta Mate-rialia. 2014. Vol. 65. P. 85-97. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.11.049

17. Maiti S., Steurer W. Structural-disorder and its effect on mechanical properties in single-phase TaNbHfZr high-entropy alloy // Acta Materialia. 2016. Vol. 106. P. 87-97. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.01.018

18. Braic V., Balaceanu M., Braic M., Vladescu A., Panseri S., Russo A. Characterization of multi-principal-element (TiZrNbHfTa)N and (TiZrNbHfTa)C coatings for biomedical applications // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2012. Vol. 10. P. 197-205. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2012.02.020

19. Wong K.-K., Hsu H.-C., Wu S.-C., Ho W.-F. Structure and properties of Ti-rich Ti-Zr-Nb-Mo medium-entropy alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2021. Vol. 868. Article 159137. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.159137

20. Akmal M., Hussain A., Afzal M., Lee Y.I., Ryu H.J. Systematic study of (MoTa)xNbTiZr medium- and high-entropy alloys for biomedical implants- In vivo biocompatibility examination // Journal of Materials Science and Technology. 2021. Vol. 78. P. 183-191. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.049

21. Zuo T., Gao M.C., Ouyang L., Yang X., Cheng Y., Feng R., Chen S., Liaw P.K., Hawk J.A., Zhang Y. Tailoring magnetic behavior of CoFeMnNiX (X = Al, Cr, Ga, and Sn) high entropy alloys by metal doping // Acta Materialia. 2017. Vol. 130. P. 10-18. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.03.013

22. Mishra R.K., Shahi R. A systematic approach for enhancing magnetic properties of CoCrFeNiTi-based high entropy alloys via stoichiometric variation and annealing // Journal of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 851. Article 153534. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.153534

23. Zhang Y. High-Entropy Materials. A brief introduction. Singapore: Springer Nature, 2019. 159 p.

24. Dong Z., Huang S., Strom V, Chai G., Varga L.K., Eriksson O., Vitos L. MnxCr0.3Fe0.5Co0.2Ni0.5Al0.3 high entropy alloys for magnetocaloric refrigeration near room temperature // Journal of Materials Science and Technology. 2021. Vol. 79. P. 15-20. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.071

25. Fu M., Ma X., Zhao K., Li X., Su D. High-entropy materials for energy-related applications // Science. 2021. Vol. 24. No. 3. Article 102177. https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.102177

26. Tang J., Xu J.L., Ye Z.G., Li X.B., Luo J.M. Microwave sintered porous CoCrFeNiMo high entropy alloy as an efficient electrocatalyst for alkaline oxygen evolution reaction // Journal of Materials Science and Technology. 2021. Vol. 79. P. 171-177. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.079

27. Zhao S., Wu H., Yin R., Wang X., Zhong H., Fu Q., Wan W., Cheng T., Shi Y., Cai G., Jiang C., Ren F. Preparation and electrocatalytic properties of (FeCrCoNiAl0.1 )Ox high-entropy oxide and NiCo-(FeCrCoNiAl0.1 )Ox heterojunction films // Journal of Alloys and Compounds. 2021. Vol. 868. Article 159108. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.159108

28. Liang H., Qiao D., Miao J., Cao Z., Jiang H., Wang T. Anomalous microstructure and tribological evaluation of AlCrFeNiW0.2Ti0.5 high-entropy alloy coating manufactured by laser cladding in seawater // Journal of Materials Science and Technology. 2021. Vol. 85. P. 224-234. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.12.050

29. Dada M., Popoola P., Mathe N., Pityana S., Adeosun S., Aramide O. The comparative study of the microstructural and corrosion behaviour of laser-deposited high entropy alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2021. Vol. 866. Article 158777. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.158777

30. Adomako N.K., Shin G., Park N., Park K., Kim J.H. Laser dissimilar welding of CoCrFeMnNi-high entropy alloy and duplex stainless steel // Journal of Materials Science and Technology. 2021. Vol. 85. P. 95-105. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.02.003

31. Marik S., Varghese M., Sajilesh K.P., Singh D., Singh R.P. Superconductivity in equimolar Nb-Re-Hf-Zr-Ti high entropy alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2018. Vol. 769. P. 1059-1063. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.08.039

32. Marik S., Motla K., Varghese M., Sajilesh K.P., Singh D., Breard Y., Boullay P., Singh R.P. Superconductivity in a new hexagonal high-entropy alloy // Physical Review Materials. 2019. Vol. 3. No. 6. Article 060602. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.3.060602

33. Sogabe R., Goto Y., Mizuguchi Y. Superconductivity in EO0.5F0.5BiS2 with high-entropy-alloy-type blocking layers // Applied Physics Express. 2018. Vol. 11. Article 053102. https://doi.org/10.7567/APEX.11.053102

34. Рогачев А.С. Структура, стабильность и свойства высокоэнтропийных сплавов // Физика металлов и металловедение. 2020. Т. 121. № 8. P. 807-841. https://doi.org/10.31857/S0015323020080094

35. Murty B.S., Yeh J.W., Ranganathan S., Bhattacharjee P.P. High-Entropy Alloys. 2nd edition. Amsterdam: Elsevier, 2019. 374 p.

36. Громов В.Е., Рубанникова Ю.А., Коновалов С.В., Осинцев К.А., Воробьев С.В. Формирование улучшенных механических свойств высокоэнтропийного сплава Cantor // Известия вузов. Черная металлургия. 2021. Т. 64. № 8. С. 599-605. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-8-599-605