Структурно-фазовые изменения высокоэнтропийного сплава при облучении импульсным электронным пучком

По технологии проволочно-дугового аддитивного производства (WAAM) в атмосфере чистого азота получен высокоэнропийный сплав (ВЭС) системы Al - Co - Cr - Fe - Ni неэквиатомного состава. Методами современного физического материаловедения показано, что в исходном состоянии сплав имеет дендритное строение, что указывает на неоднородное распределение легирующих элементов. Сплав является многофазным материалом, основные фазы: Al₃Ni, Cr₃C₂ , (Ni, Co)₃Al₄ . Наноразмерные частицы (Ni, Co)₃Al₄ кубической формы расположены вдоль границ раздела субмикронных фаз Al₃Ni и Cr₃C₂ . Облучение ВЭС импульсными электронными пучками с плотностью энергии E_s = 10 + 30 Дж/см², длительностью импульса 50 мкс, частотой 3 Гц и числом импульсов 3 приводит к высокоскоростному плавлению и последующей кристаллизации поверхностного слоя. При E_s = 10 Дж/см² не происходит разрушения структуры дендритной кристаллизации. Междендритные пространства обогащены алюминием, никелем и железом, а сами дендриты атомами хрома. Наиболее ликвирующим элементом является алюминий, наименее - кобальт. При E_s = 20 Дж/см² в объеме зерен формируется нанокристаллическая структура в слое толщиной 15 мкм. Размер ячеек кристаллизации составляет 100 - 200 нм, размер включений в стыках ячеек 20 - 25 нм, а вдоль границ ячеек - 10 - 15 нм. Ячейки высокоскоростной кристаллизации обогащены алюминием и никелем. Атомы кобальта распределены по объему поверхностного слоя равномерно. Наиболее ликвирующим элементом является хром, наименее - кобальт. Увеличение плотности энергии пучка электронов до 30 Дж/см² не приводит к существенным (по сравнению с 20 Дж/см² ) изменениям структуры поверхностного слоя. Выявлен режим облучения (E_s = 20 Дж/см², 50 мкс, 3 импульса, 0,3 Гц), который позволяет сформировать поверхностный слой с наиболее высокой однородностью распределения химических элементов в сплаве.

1. 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. 179 с.

2. Zhang Y. High-Entropy Materials. A Brief Introduction. Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2019. 152 p.

3. Murty B.S., Yeh J.-W., Ranganathan S., Bhattacharjee P.P. High-Entropy Alloys. 2nd Edition. Amsterdam: Elsevier, 2019. 388 p.

4. 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

5. 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

6. Wen L.H., Kou H.C., Li J.S., Chang H., Xue X.Y., Zhou L. Effect of aging temperature on microstructure and properties of AlCoCr-CuFeNi high-entropy alloy // Intermetallics. 2009. Vol. 17. No. 4. P. 266-269. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2008.08.012

7. Ng C., Guo S., Luan J., Shi S., Liu C.T. Entropy-driven phase stability and slow diffusion kinetics in an Al0.5CoCrCuFeNi high entropy alloy // Intermetallics. 2012. Vol. 31. P. 165-172. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2012.07.001

8. Jones N.G., Frezza A., Stone H.J. Phase equilibria of an Al0.5CrFeCoNiCu high entropy alloy // Materials Science and Engineering: A. 2014. Vol. 615. P. 214-221. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.07.059

9. Shun T.-T., Du Y.-C. Age hardening of the Al0.3CoCrFeNiC0.1 high entropy alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2009. Vol. 478. No. 1-2. P. 269-272. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.12.014

10. Kao Y.-F., Chen T.-J., Chen S.-K., Yeh J.-W. Microstructure and mechanical property of as-cast, -homogenized, and -deformed Al CoCrFeNi (0 < x < 2) high-entropy alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2009. Vol. 488. No. 1. P. 57-64. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.08.090

11. Tsai C.-W., Chen Y.-L., Tsai M.-H., Yeh J.-W., Shun T.-T., Chen S.-K. Deformation and annealing behaviors of high-entropy alloy Al0.5CoCrCuFeNi // Journal of Alloys and Compounds. 2009. Vol. 486. No. 1-2. P. 427-435. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.06.182

12. 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

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

14. Li Z., Gokuldoss Pradeep K., Deng Y., Raabe D., Tasan C.C. Metastable high-entropy dual-phase alloys overcome the strength-ductility trade-off // Nature. 2016. Vol. 534 (7606). P. 227-230. https://doi.org/10.1038/nature17981

15. Otto F., Dlouhy 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

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

17. 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

18. Mills W.J. Fracture toughness of type 304 and 316 stainless steels and their welds // International Materials Reviews. 1997. Vol. 42. No. 2. P. 45-82. https://doi.org/10.1179/imr.1997.42.2.45

19. Strife J.R., Passoja D.E. The effect of heat treatment on microstructure and cryogenic fracture properties in 5Ni and 9Ni steel // Metallurgical Transactions A. 1980. Vol. 11. No. 8. P. 1341-1350. https://doi.org/10.1007/BF02653488

20. Zhang Y., Zuo T.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

21. Cantor B. Multicomponent and high entropy alloys // Entropy. 2014. Vol. 16. No. 9. P. 4749-4768. https://doi.org/10.3390/e16094749

22. Miracle D.B., Senkov O.N. A critical review of high entropy alloys and related concepts // Acta Materialia. 2017. Vol. 122. P. 448-511. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.081

23. Zhang W., Lian P.K., Zhang Y. Science and technology in high-entropy alloys // Science China Materials. 2018. Vol. 61. No. 1. P. 2-22. https://doi.org/10.1007/s40843-017-9195-8

24. Громов В.Е., Аксенова К.В., Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф. Повышение усталостного ресурса силумина электронно-пучковой обработкой // Успехи физики металлов. 2015. Т. 16. № 4. С. 265-297. https://doi.org/10.15407/ufm.16.04.265

25. Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф. Наноструктурирование поверхности металлокерамических и керамических материалов при импульсной электронно-пучковой обработке // Известия вузов. Физика. 2008. № 5. С. 60-70.

26. Ротштейн В.П., Проскуровский Д.И., Озур Г.Е., Иванов Ю.Ф. Модификация поверхностных слоев металлических материалов низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками. Новосибирск: СО РАН: Наука, 2019. 348 с.

27. Сильноточные электронные импульсные пучки для авиационного двигателестроения / В.А. Шулов, А.Г. Пайкин, А.С. Новиков и др.; под общ. ред. В.А. Шулова, А.С. Новикова, В.И. Энгелько. М.: Артек, 2012. 286 с.

28. Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. Basel: Springer International Publishing, 2016. 196 p.

29. Kumar C.S.S.R. Transmission Electron Microscopy. Characterization of Nanomaterials. New York: Springer, 2014. 717 p.

30. Carter C.B., Williams D.B. Transmission Electron Microscopy. Berlin: Springer International Publishing, 2016. 518 p.