Управление механическими свойствами высокоэнтропийного сплава Cantor CoCrFeMnNi

Выполнен краткий анализ работ по изменению механических свойств высокоэнтропийного сплава (ВЭС) Cantor CoCrFeMnNi различными способами. Рассмотрено влияние легирования алюминием, ванадием, марганцем, титаном, кремнием, углеродом, медью на упрочнение ВЭС, полученного методами вакуумно-дуговой плавки, лазерной плавки, дуговой плавки и капельного литья, механического легирования с последующим плазменным спеканием, газового распыления с последующим ударно-волновым и статическим уплотнением. Показано, что добавки 2,5 % TiC и 5 % WC значительно улучшают предел прочности, но снижают относительное удлинение до разрушения. Влияние размера зерна в диапазоне 4,4 – 155 мкм заключается в увеличении предела прочности с уменьшением размера зерна. Понижение температуры увеличивает пределы прочности и текучести для зерен всех размеров. Интенсивная пластическая деформация, формирующая наноразмерные (~50 нм) зерна, значительно увеличивает предел прочности до 1950 МПа и твердость до 520 HV. Последующие изохронные и изотермические отжиги позволяют варьировать прочность и пластичность ВЭС. Формирование наноструктурно-фазовых состояний при ударном компостировании, механическом легировании и последующем искровом плазменном спекании значительно повышает предел прочности при комнатной температуре, сохраняя отличную пластичность (относительное удлинение примерно 28 %). В качестве одного из методов модифицирования механических свойств ВЭС авторами предложена электронно-пучковая обработка (ЭПО). Выполнен анализ деформационных кривых ВЭС, полученного по технологии проволочно-дугового аддитивного производства, после ЭПО с плотностью энергии пучка электронов 10 – 30 Дж/см², высказаны и обоснованы предположения о причинах снижения прочностных и пластических характеристик. Проведен сравнительный анализ механических свойств ВЭС Cantor, полученных различными методами, и отмечены причины расхождения значений прочностных и пластических параметров.

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. 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

5. 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

6. 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

7. Gromov V.Е., Konovalov S.V., Ivanov Yu.F., Osintsev K.A. High-entropy alloys of AlCoCrFeNi-system // Advanced Structured Materials. 2021. Vol. 107. P. 79–110. https://doi.org/10.1007/978-3-030-78364-8_6

8. Zhang T., Xin L., Wu F., Zhao R., Xiang J., Chen M., Jiang S., Huang Y., Chen S. Microstructure and mechanical 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

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

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

11. Meng F., Baker I. Nitriding of a high entropy FeNiMnAlCr alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 645. P. 376–381. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.05.021

12. 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

13. Proskyrovsky D.I., Rotshtein V.P., Ozur G.E., Ivanov Yu.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

14. Valkov S., Ormanova M., Petrov P. Electron-beam surface treatment of metals and alloys: Techniques and trends // Metals. 2020. Vol. 10. No. 9. Article 10091219. https://doi.org/10.3390/met10091219

15. 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

16. 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 high-current pulsed electron beam // Vacuum. 2019. Vol. 167. P. 263–270. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.06.022

17. Konovalov S.V., Komissarova I.A., Kosinov D.A., Ivanov Yu.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

18. 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

19. 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

20. He J.Y., Liu W.H., Wang H., Wu Y., Liu X.J., Nieh T.G., Lu Z.P. Effects of Al addition on structural evolution and tensile properties of the FeCoNiCrMn high-entropy alloy system // Acta Materialia. 2014. Vol. 62. P. 105–113. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.09.037

21. Stepanov N.D., Shaysultanov D.G., Salishchev G.A., Tikhonov­sky M.A., Oleynik E.E., Tortika A.S., Senkov O.N. Effect of V content on microstructure and mechanical properties of the

22. CoCrFeMnNiVx high entropy alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 628. P. 170–185. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.12.157

23. Chen P., Yang C., Li S., Attallah M.M., Yan M. In-situ alloyed, oxi­de-dispersion-strengthened CoCrFeMnNi high entropy alloy fabricated via laser powder bed fusion // Materials & Design. 2020. Vol. 194. Article 108966. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108966

24. Yamanaka S., Ikeda K-i., 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

25. 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

26. Lu Y., Mazilkin A., Boll T., Stepanov N., Zherebtzov S., Sali­shchev G., Ódore 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

27. Zhang X., Li R., Huang L., Amar A., Wu C., Le G., Liu X., Guan D., Yang G., Li J. Influence of in-situ and ex-situ precipitations on microstructure and mechanical properties of additive manufacturing CoCrFeMnNi high-entropy alloys // Vacuum. 2021. Vol. 187. Article 110111. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2021.110111

28. Ji W., Wang W., Wang H., Zhang J., Wang Y., Zhang F., Fu Z. Al­loing behavior and novel properties of CoCrFeNiMn high-entropy alloy fabricated by mechanical alloying and spark plasma sinte­ring // Intermetallics. 2015. Vol. 56. P. 24–27. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2014.08.008

29. Yang T., Cai B., Shi Y., Wang M., Zhang G. Preparation of nanostructured CoCrFeMnNi high entropy alloy by hot pressing sin­te­ring gas atomized powders // Micron. 2021. Vol. 147. Article 103082. https://doi.org/10.1016/j.micron.2021.103082

30. 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 high-entropy alloy // Acta Materialia. 2013. Vol. 61. No. 15. P. 5743–5755. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.06.018

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

32. Yim D., Kim W., Praveen S., Jang M.J., Bae J.W., Moon J., Kim E., Hong S.-J., Kim H.S. Shock wave compaction and sintering of mechanically alloyed CoCrFeMnNi high-entropy alloy powders // Materials Science and Engineering: A. 2017. Vol. 708. P. 291–300. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.09.132