Влияние электронно-пучковой обработки на дефектную субструктуру высокоэнтропийного сплава системы Co – Cr – Fe – Mn – Ni

Электронно-пучковая обработка поверхности является способом модификации материалов, который обеспечивает улучшение механических свойств металлических материалов. За счет высокоскоростного нагрева, испарения, рекристаллизации, а также пластической деформации в поверхности происходит образование дислокаций с высокой плотностью и, как следствие, наблюдается увеличение показателей различных физико-механических свойств, таких как твердость, износостойкость и др. Поскольку в настоящее время высокоэнтропийные сплавы являются относительно новым классом материалов, эффект влияния импульсной электронно-пучковой обработки на дислокационную субструктуру еще не был установлен, в настоящей работе поверхностной обработке с  помощью высокоинтенсивного импульсного электронного пучка с плотностью энергии 30 Дж/см² был подвергнут неэквиатомный высокоэнтропийный сплав системы Co – Cr – Fe – Mn – Ni, изготовленный с помощью проволочно-дугового аддитивного производства. Методом исследования тонких фольг с помощью просвечивающей электронной микроскопии было установлено, что обработка не оказывает влияния на химический состав сплава, однако приводит к серьезным изменениям дислокационной субструктуры. Выявлено немонотонное изменение скалярной плотности дислокаций, достигающее максимального значения 5,5∙1010  см^–2 на расстоянии 25  мкм от поверхности облучения. Показано, что на этом расстоянии от поверхности формируется неразориентированная ячеистая дислокационная субструктура с размерами ячеек от 400 нм до 600 нм. При дальнейшем удалении от поверхности на расстояние до 45  мкм происходит изменение дислокационной субструктуры от ячеистой к ячеисто-сетчатой. На расстоянии 120 – 130 мкм воздействие высокоинтенсивного импульсного электронного пучка не наблюдается – субструктура соответствует субструктуре исходного сплава с  хаотическим распределением дислокаций.

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. No. 1-2. P. 213–218. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.257

2. Yeh J.W., Chen S.-K., Lin S.-J., Gan J.-Y., 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. Zhang T., Xin L., Wu F., Zhao R., Xiang J., Chen M., Jiang S., Huang Y., Chen S. Microstructure and mechanical properties of FexCoCrNiMn high-entropy alloys // Journal of Materials Science and Technology. 2019. Vol. 35. No. 10. P. 2331–2335. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2019.05.050

8. 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

9. Yamanaka S., Ikeda K., Miura S. The effect of titanium and silicon addition on phase equilibrium and mechanical properties of CoCrFeMnNi-based high entropy alloy // Journal of Materials Research. 2021. Vol. 36. No. 10. P. 2056–2070. https://doi.org/10.1557/s43578-021-00251-0

10. Xian X., Lin L., Zhong Z., Zhang C., Chen C., Song K., Cheng J., Wu Y. Precipitation and its strengthening of Cu-rich phase in CrMnFeCoNiCux high-entropy alloys // Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 713. P. 134–140. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.12.060

11. Lu Y., Mazilkin A., Boll T., Stepanov N., Zherebtzov S., Sali­shchev G., Ódor É., Ungar T., Lavernia E., Hahn H., Ivanisenko Y. Influence of carbon on the mechanical behavior and microstructure evolution of CoCrFeMnNi processed by high pressure torsion // Materialia. 2021. Vol. 16. Article 101059. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2021.101059

12. Listyawan T.A., Lee H., Park N., Lee U. Microstructure and mechanical properties of CoCrFeMnNi high entropy alloy with ultrasonic nanocrystal surface modification process // Journal of Mate­rials Science & Technology. 2020. Vol. 57. P. 123–130. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.02.083

13. Meng F., Baker I. Nitriding of a high entropy FeNiMnAlCr alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 645. No. 4.

14. P. 376–381. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.05.021

15. Panin S.V., Vlasov I.V., Sergeev V.P., Maruschak P.O., Sunder R., Ovechkin B.B. Fatigue life improvement of 12Cr1МoV steel by irradiation with Zr+ ion beam // International Journal of Fatigue. 2015. Vol. 76. P. 3–10. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2014.10.011

16. Lindner T., Löbel M., Sattler B., Lampke T. Surface hardening of FCC phase high-entropy alloy system by powder-pack boriding // Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 371. P. 389–394. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.10.017

17. Proskurovsky D.I., Rotshtein V.P., Ozur G.E., Ivanov Y.F., Markov A.B. Physical foundations for surface treatment of materials with low energy, high current electron beams // Surface and Coatings Technology. 2000. Vol. 125. No. 1-3. P. 49–56. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(99)00604-0

18. Valkov S., Ormanova M., Petrov P. Electron-beam surface treatment of metals and alloys: Techniques and trends // Metals. 2020. Vol. 10. No. 9. P. 1–20. https://doi.org/10.3390/met10091219

19. Konovalov S., Ivanov Y., Gromov V., Panchenko I. Fatigue-induced evolution of AISI 310S steel microstructure after electron beam treatment // Materials. 2020. Vol. 13. No. 20. Article 4567. https://doi.org/10.3390/ma13204567

20. Zhang C., Lv P., Xia H., Yang Z., Konovalov S., Chen X., Guan Q. The microstructure and properties of nanostructured Cr-Al alloying layer fabricated by high-current pulsed electron beam // Vacuum. 2019. Vol. 167. P. 263–270. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.06.022

21. Konovalov S.V., Komissarova I.A., Kosinov D.A., Ivanov Y.F., Ivanova O.V., Gromov V.E. Structure of titanium alloy, modified by electron beams and destroyed during fatigue // Letters on Mate­rials. 2017. Vol. 7. No. 3. P. 266–271. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2017-3-266-271

22. Lyu P., Peng T., Miao Y., Liu Z., Gao Q., Zhang C., Jin Y., Guan Q., Cai J. Microstructure and properties of CoCrFeNiMo0.2 high-entropy alloy enhanced by high-current pulsed electron beam // Surface and Coatings Technology. 2021. Vol. 410. Article 126911. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.126911

23. Cai J., Yao Y., Gao C., Lyu P., Meng X., Guan Q., Li Y., Han Z. Comparison of microstructure and oxidation behavior of

24. NiCoCrAlYSi laser cladding coating before and after high-current pulsed electron beam modification // Journal of Alloys and Compounds. 2021. Vol. 881. Article 160651. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160651

25. Osintsev K., Gromov V., Ivanov Y., Konovalov S., Panchenko I., Vorobyev S. Evolution of structure in AlCoCrFeNi high-entropy alloy irradiated by a pulsed electron beam // Metals. 2021. Vol. 11. No. 8. Article 1228. https://doi.org/10.3390/met11081228