Фрактография поверхности разрушения высокоэнтропийного сплава CrMnFeCoNi после электронно-пучковой обработки

В последнее десятилетие внимание ученых в области физического материаловедения привлечено к изучению высокоэнтропийных сплавов. По технологии проволочно-дугового аддитивного производства (WAAM) получен высокоэнтропийный сплав (ВЭС) неэквиатомного состава. В двух состояниях (исходном/после изготовления и после электронно-пучковой обработки (ЭПО)) были проанализированы деформационные кривые, полученные на установке Instron 3369 при одноосном растяжении со скоростью 1,2 мм/мин при комнатной температуре. Электронно-пучковую обработку проводили с целью выявления ее влияния на структурно-фазовые состояния и механические свойства. Такая обработка приводит к снижению прочностных и пластических свойств ВЭС. С помощью сканирующего электронного микроскопа LEO EVO 50 выполнен анализ структуры поверхности разрушения и приповерхностной зоны. Выявлены зависимости предела прочности и относительного удлинения до разрушения от параметров ЭПО. Прочность и пластичность немонотонно снижаются с ростом плотности энергии пучка электронов в диапазоне 10 – 30 Дж/см² при постоянных значениях длительности, частоты и количества импульсов. Наряду с ямочным характером излома выявлено наличие микропор, микрорасслоений. Исследование поверхности разрушения ВЭС после ЭПО кроме областей с вязким механизмом разрушения выявило области с полосовой (пластинчатой) структурой. При плотности энергии пучка электронов 10 Дж/см² площадь такой структуры составляет 25 %, она немонотонно растет до 65 % при плотности энергии пучка электронов 30 Дж/см². Диаметр ямок отрыва в полосах разрушения изменяется в пределах 0,1 – 0,2 мкм, что значительно меньше размера ямок отрыва остальной части образцов ВЭС. После ЭПО толщина расплавленного слоя изменяется в пределах 0,8 – 5,0 мкм и возрастает с ростом плотности энергии пучка электронов. Электронно-пучковая обработка приводит к образованию ячеек кристаллизации, размеры которых изменяются в пределах 310 – 800 нм при росте плотности энергии пучка электронов от 15 до 30 Дж/см². Высказано предположение, что образующиеся при ЭПО дефекты в поверхностных слоях могут быть одной из причин снижения прочности и пластичности ВЭС.

1. George E.P., Curtin W.A., Tasan C.C. High entropy alloys: A focused review of mechanical properties and deformation mechanisms // Acta Materialia. 2020. Vol. 188. P. 435–474. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.12.015

2. Shivam V., Basu J., Pandey V.K., Shadangi Y., Mukhopadhyay N.K. Alloying behaviour, thermal stability and phase evolution in quinary AlCoCrFeNi high entropy alloy // Advanced Powder Technology. 2018. Vol. 29. No. 9. P. 2221–2230. https://doi.org/10.1016/j.apt.2018.06.006

3. Ganesh U.L., Raghavendra H. Review on the transition from conventional to multi-component-based nano-high-entropy alloys-NHEAs // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2020. Vol. 139. P. 207–216. https://doi.org/10.1007/s10973-019-08360-z

4. Alshataif Y.A., Sivasankaran S., Al-Mufadi F.A., Alaboodi A.S., Ammar H.R. Manufacturing methods, microstructural and mechanical properties evolutions of high-entropy alloy: A review // Metals and Materials International. 2019. Vol. 26. P. 1099–1133. https://doi.org/10.1007/s12540-019-00565-z

5. Cheng K.-C., Chen J.-H., Stadler S., Chen S.-H. Properties of ato­mized AlCoCrFeNi high-entropy alloy powders and their phase-adjustable coatings prepared via plasma spray process // Applied Surface Science. 2019. Vol. 478. P. 478–486. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.01.203

6. Joseph J., Hodgson P., Jarvis T., Wu X., Stanford N., Fabijanic D.M. Effect of hot isostatic pressing on the microstructure and mechanical properties of additive manufactured AlxCoCrFeNi high entropy alloys // Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 733. P. 59–70. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.07.036

7. Jian R., Wang L., Zhou S., Zhu Y., Liang Y.-J., Wang B., Xue Y. Achieving fine-grain tungsten heavy alloys by selecting a high entropy alloy matrix with low W grain growth rate // Materials Letters. 2020. Vol. 278. Article 128405. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.128405

8. Hou L., Hui J., Yao Y., Chen J., Liu J. Effects of Boron Content on microstructure and mechanical properties of AlFeCoNiBx high entropy alloy prepared by vacuum arc melting // Vacuum. 2019. Vol. 164. P. 212–218. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.03.019

9. Wu H., Huang S., Zhao C., Zhu H., Xie Z., Tu C., Li X. Microstructures and mechanical properties of in-situ FeCrNiCu high entropy alloy matrix composites reinforced with NbC particles // Intermetallics. 2020. Vol. 127. Article 106983. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2020.106983

10. Xu Y., Li C., Huang Z., Chen Y., Zhu L. Microstructure evolution and mechanical properties of FeCoCrNiCuTi0.8 high-entropy alloy prepared by directional solidification // Entropy. 2020. Vol. 22. No. 7. Article 786. https://doi.org/10.3390/e22070786

11. Liu Y., Zhang Y., Zhang H., Wang N., Chen X., Zhang H., Li Y. Microstructure and mechanical properties of refractory HfMo0.5NbTiV0.5Six high entropy composites // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 694. P. 869–876. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.10.014

12. Zhang Y., Han T., Xiao M., Shen Y. Effect of Nb content on microstructure and properties of laser cladding FeNiCoCrTi0.5Nbx high-entropy alloy coating // Optik. 2019. Vol. 198. Article 163316. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.163316

13. Tabachnikova E.D., Shapovalov Yu.O., Smirnov S.N., Gorban V.F., Krapivka N.A., Firstov S.A. Low-temperature mechanical properties and thermally activated plasticity parameters of the CrMnFeCoNi2Cu high entropy alloy // Low Temperature Physics. 2020. Vol. 46. Article 958. https://doi.org/10.1063/10.0001720

14. Надутов В.М., Волосевич П.Ю., Прошак А.В., Панарин В.Е., Свавильный Н.Е. Структура ионно-плазменных покрытий из высокоэнтропийного сплава AlFeNiCoCuCr // Металлофизика и новейшие технологии. 2017. Т. 39. № 11. С. 1525–1545.

15. Ремпель А.А., Гельчинский Б.Р. Высокоэнтропийные сплавы: получение, свойства, практическое применение // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 3-4. С. 248–253. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-3-4-248-253

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

17. Башев В.Ф., Кушнерев А.И. Структура и свойства литых и жидкозакаленных высокоэнтропийных сплавов системы Al–Cu–Fe–Ni–Si // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 1. С. 42–50. https://doi.org/10.7868/S001532301610003X

18. Шайсултанов Д.Г., Степанов Н.Д., Салищев Г.А., Тихоновс­кий М.А. Влияние термической обработки на структуру и твердость высокоэнтропийных сплавов CoCrFeNiMnVx (х = 0.25, 0.5, 0.75, 1) // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 6. С. 610–621. https://doi.org/10.7868/S0015323017060080

19. 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

20. Zhang W., Liaw 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

21. 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

22. Gromov V.Е., Konovalov S.V., Ivanov Yu.F., Osintsev K.A. Structure and Properties of High-Entropy Alloys. Springer. Advanced Structured Materials. 2021. Vol. 107. 110 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-78364-8

23. Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Коновалов С.В., Шлярова Ю.А. Эволюция структуры AlCoCrFeNi высокоэнтропийного сплава при облучении импульсным электронным пучком // Журнал технической физики. 2021. Т. 91. № 12. С. 1971–1974. https://doi.org/10.21883/JTF.2021.12.51762.205-21

24. Ivanov Yu.F., Gromov V.Е., Zagulyaev D.V., Konovalov S.V., Shlia­rova Yu.A., Semin A.P. Prospects for the application of surface treatment of alloys by electron beams in state-of-the-art technologies // Progress in Physics of Metals. 2020. Vol. 21. No. 3. P. 345–362. https://doi.org/10.15407/ufm.21.03.345

25. Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Vorobiev S.E., Konovalov S.V. Fatigue of Steels Modified by High Intensity Electron Beams. Cambridge CISP Ltd, 2015. 272 p.

26. ГОСТ 1497 – 84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. М.: Стандартинформ, 2005. 24 с.

27. 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.