Покрытия из высокоэнтропийных сплавов: состояние проблемы и перспективы развития
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-10-683-692
Аннотация
Авторы выполнили краткий обзор публикаций зарубежных и отечественных исследований за последние годы, в которых изучаются структуры, фазовые составы и свойства пленок и покрытий пятикомпонентных высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) на различные подложки и модифицирование поверхностей ВЭС различными видами обработки. В работе рассматриваются основные методы нанесения пленок и покрытий: магнетронное напыление, термическое распыление, лазерное напыление и электроосаждение. Особое внимание исследователи уделяют нанесению покрытий на нержавеющие стали и титановые сплавы. Положительное изменение трибологических, прочностных свойств и коррозионной стойкости пленочных покрытий проявляется в широком интервале температур. Обсуждаются возможные причины наблюдаемых эффектов с учетом роли твердорастворного упрочнения, формирования мелкозернистой структуры, образования оксидных слоев, обогащенных одним из компонентов ВЭС. Выделены новые способы нанесения покрытий из ВЭС и последующей обработки. Роль ниобия и титана в увеличении микротвердости, износостойкости и снижении коэффициента трения в покрытиях рассматривается на примере легирования этими элементами. Среди методов обработки поверхности ВЭС применяют электролитическое полирование, электроэрозионную обработку, механическую полировку и их комбинации. В ряде работ для повышения поверхностной прочности и износостойкости ВЭС предлагается использовать методику порошкового борирования. Проанализированы работы по одному из перспективных и продемонстрировавших высокую эффективность методов поверхностного упрочнения ВЭС – электронно-пучковой обработке.
Ключевые слова
Об авторах
В. Е. ГромовРоссия
Виктор Евгеньевич Громов, д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля
Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42
С. В. Коновалов
Россия
Сергей Валерьевич Коновалов, д.т.н., профессор, проректор по научной и инновационной деятельности
Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42
О. А. Перегудов
Россия
Олег Александрович Перегудов, к.т.н., помощник ректора по молодежной политике
Россия, 644050, Омск, пр. Мира, 11
М. О. Ефимов
Россия
Михаил Олегович Ефимов, аспирант кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля
Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42
Ю. А. Шлярова
Россия
Юлия Андреевна Шлярова, аспирант кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля
Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42
Список литературы
1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. Cantor B. Multicomponent and high entropy alloys // Entropy. 2014. Vol. 16. No. 9. P. 4749–4768. https://doi.org/10.3390/e16094749
6. 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
7. 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
8. Горбань В.Ф., Крапивка Н.А., Фирстов С.А. Высокоэнтропийные сплавы – электронная концентрация – фазовый состав – параметр решетки – свойства // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 10. С. 1017–1029.
9. Yeh J.-W., Chen S.-K., Gan J.-Y., Lin S.-J, Chin T.-S., Shun T.-T., Tsau C.-H., Chang S.-Y. Formation of simple crystal structures in Cu-Co-Ni-Cr-Al-Fe-Ti-V alloys with multiprincipal metallic elements // Metallurgical and Materials Transactions: A. 2004. Vol. 35. P. 2533–2536. https://doi.org/10.1007/s11661-006-0234-4
10. Yeh J.-W. Recent progress in high-entropy alloys // Annales de Chimie: Science des Materiaux. 2006. Vol. 31. No. 6. P. 633–648. https://doi.org/10.3166/acsm.31.633-648
11. Tong C.J., Chen Y.-L., Chen S.-K., Yeh J.-W., Shun T.-T., Tsau C.- H., Lin S.-J., Chang S.-Y. Microstructure characterization of AlxCoCrCuFeNi high-entropy alloy system with multi-principal elements // Metallurgical and Materials Transactions: A. 2004. Vol. 36. P. 881–893. https://doi.org/10.1007/s11661-005-0283-0
12. Tsai K.-Y., Tsai M.-H., Yeh J.-W. Sluggish diffusion in Co-Cr-Fe-Mn-Ni high-entropy alloys // Acta Materialia. 2013. Vol. 61. No. 13. P. 4887–4897. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.04.058
13. Tsai M.-H., Yeh J.-W. High-entropy alloys: A critical review // Materials Research Letters. 2014. Vol. 2. No. 3. P. 107–123. https://doi.org/10.1080/21663831.2014.912690
14. Alaneme K.K., Bodunrin M.O., Oke S.R. Processing, alloy composition and phase transition effect on the mechanical and corrosion properties of high entropy alloys: A review // Journal of Materials Research Technology. 2016. Vol. 5. No. 4. P. 384–393. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2016.03.004
15. Murty B.S., Yeh J.-W., Ranganathan S., Bhattacharjee P.P. High-Entropy Alloys. 2nd edition. Amsterdam: Elsevier, 2019. 374 p.
16. Zhang Y. High-Entropy Materials. A Brief Introduction. Singapore: Springer Nature, 2019. 159 p.
17. 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
18. 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
19. Горбачев И.И., Попов В.В., Кац-Демьянец А., Попов М.Л., Эшед Э. Прогнозирование фазового состава высокоэнтропийных сплавов на основе Cr–Nb–Ti–V–Zr с помощью CALPHAD-метода // Физика металлов и металловедение. 2019. Т. 120. № 4. С. 408–416. https://doi.org/10.1134/S0015323019040065
20. Горбань В.Ф., Крапивка Н.А., Фирстов С.А., Куриленко Д.В. Роль различных параметров в формировании физико-механических свойств высокоэнтропийных сплавов с ОЦК-решеткой // Физика металлов и металловедение. 2018. Т. 119. № 5. С. 504–509. https://doi.org/10.7868/S0015323018050108
21. 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
22. Шайсултанов Д.Г., Степанов Н.Д., Салищев Г.А., Тихоновский М.А. Влияние термической обработки на структуру и твердость высокоэнтропийных сплавов CoCrFeNiMnVx (x = 0.25, 0.5, 0.75, 1) // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 6. С. 610–621. https://doi.org/10.7868/S0015323017060080
23. Мешков Е.А., Новоселов И.И., Янилкин А.В., Рогожкин С.В., Никитин А.А., Хомич А.А., Шутов А.С., Тарасов Б.А., Данилов С.Е., Арбузов В.Л. Экспериментально-теоретическое исследование эволюции атомной структуры высокоэнтропийных сплавов на основе Fe, Cr, Ni, Mn и Co при термическом и радиационном старении // Физика твердого тела. 2020. Т. 62. № 3. С. 339–350. https://doi.org/10.21883/FTT.2020.03.48995.446
24. Киреева И.В., Чумляков Ю.И., Победенная З.В., Выродова А.В., Сараева А.А., Бессонова И.Г., Куксгаузен И.В., Куксгаузен Д.А. Температурная и ориентационная зависимость механических свойств монокристаллов высокоэнтропийного сплава Al0.3CoCrFeNi, упрочненных некогерентными частицами β-фазы // Известия вузов. Физика. 2020. Т. 63. № 1 (745). С. 121–127. https://doi.org/10.17223/00213411/63/1/121
25. Ma Y., Peng G.J., Wen D.H., Zhang T.H. Nanoindentation creep behavior in a CoCrFeCuNi high-entropy alloys film with two different structure states // Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 621. P. 111–117. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.10.065
26. Wang L.M., Chen G.G., Yeh J.W., Ke S.T. The microstructure and strengthening mechanism of thermal spray coating NixCo0.6Fe0.2CrySizAlTi0.2 high-entropy alloys // Materials Chemistry and Physics. 2011. Vol. 126. No. 3. P. 880–885. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2010.12.022
27. Zhang H., Wu W., He Y., Li M., Guo S. Formation of core-shell structure in high-entropy alloy coating by laser cladding // Applied Surface Science. 2015. Vol. 363. P. 543–547. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.12.059
28. Gao W.Y., Chang C., Li G., Xue Y., Wang J., Zhang Z., Lin X. Study on the laser cladding of FeCrNi coating // Optik. 2019. Vol. 178. P. 950–957. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2018.10.062
29. Rong Z., Wang C., Wang Y., Dong M., You Y., Wang J., Liu H., Liu J., Wang Y., Zhu Z. Microstructure and properties of FeCoNiCrx (x = Mn, Al) high-entropy alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2022. Vol. 921. Article 166061. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.166061
30. Chang S.-Y., Lin S.-Y., Huang Y.-C., Wu C.-L. Mechanical properties, deformation behaviors and interface adhesion of (AlCrTaTiZr)Nx multi-component coatings // Surface and Coatings Technology. 2010. Vol. 204. No. 20. P. 3307–3314. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.03.041
31. Shen W.-J., Tsai M.-H., Chang Y.-S., Yeh J.-W. Effects of substrate bias on the structure and mechanical properties of (Al1.5CrNb0.5Si0.5Ti)Nx coatings // Thin Solid Films. 2012. Vol. 520. No. 19. P. 6183–6188. https://doi.org/10.1016/J.TSF.2012.06.002
32. Braic V., Vladescu A., Balaceanu M., Luculescu C.R., Braic M. Nanostructured multi-element (TiZrNbHfTa)N and (TiZrNbHfTa)C hard coatings // Surface and Coatings Technology. 2012. Vol. 211. P. 117–121. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.09.033
33. Lin M.-I., Tsai M.-H., Shen W.-J., Yeh J.-W. Evolution of structure and properties of multi-component (AlCrTaTiZr)Ox films // Thin Solid Films. 2010. Vol. 518. No. 10. P. 2732–2737. https://doi.org/10.1016/J.TSF.2009.10.142
34. Zhao Y., Zhang J., Wang Y., Wu K., Liu G., Sun J. Size-dependent mechanical properties and deformation mechanisms in Cu/NbMoTaW nanolaminates // Science China Materials. 2020. Vol. 63. No. 3. P. 444–452. https://doi.org/10.1007/s40843-019-1195-7
35. Cao Z.H., Ma Y.J., Cai Y.P, Wang G.J., Meng X.K. High strength dual-phase high entropy alloys with a tunable nanolayer thickness // Scripta Materialia. 2019. Vol. 173. P. 149–153. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.08.018
36. Xu H., Zang J., Yuan Y., Zhou Y., Tian P., Wang Y. In-situ assembly from graphene encapsulated CoCrFeMnNi high-entropy alloy nanoparticles for improvement corrosion resistance and mechanical properties in metal matrix composites // Journal of Alloys Compounsd. 2019. Vol. 811. Article 152082. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152082
37. Wang Y., Kuang S., Yu X., Wang L., Huang W. Tribo-machanical properties CrNbTiMoZv high-entropy alloy filins synthesized by direct magnetron sputtening // Surface and Coating Technology. 2020. Vol. 403. Article 126374. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126374
38. Zhao S., He L.-xin, Fan X.-xia, Liu C.-hai, Long J.-ping, Wang L., Chang H., Wang J., Zhang W. Microstructure and chloride corrosion property of nanocrystalline AlTiCrNiNa high entropy alloy coating on X80 pipeline steel // Surface and Coating Technology. 2019. Vol. 375. P. 215–220. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.07.033
39. Wu H., Zhang S., Wang Z.Y., Zhang C.H., Chen H.T., Chen J. New studies on wear and corrosion behavior of laser cladding FeNiCoCrMox high-entropy alloy coating: the role of Mo // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2022. Vol. 102. Article 105721. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2021.105721
40. Ye F., Jiao Z., Yan S., Guo L., Feng L., Yu J. Microbeam plasma arc remanufacturing: effects of Al on microstructure, wear resistance, corrosion resistance and high temperature oxidation resistance of AlxCoCrFeMnNi high-entropy alloy cladding layer // Vacuum. 2020. Vol. 174. Article 109178. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109178
41. Zhang G., Liu H., Tian X., Chen P., Yang H., Hao J. Microstructure and properties of AlCoCrFeNiSi high-entropy alloy coating on AISI 304 stainless steel by laser cladding // Journal of Materials Engineering and Performance. 2020. Vol. 29. P. 278–288. https://doi.org/10.1007/s11665-020-04586-3
42. Liu H., Zhang T., Sum S., Zhang G., Tian X., Chen P. Microstructure and dislocation density of AlCoCrFeNiSix high-entropy alloy coatings by laser cladding // Materials Letters. 2021. Vol. 283. Article 128746. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.128746
43. Ye Q., Feng K., Li Z., Lu F., Li R., Huang J., Wu Y. Microstructure and corrosion properties of CrMnFeCoNi high-entropy alloy coating // Applied Surface Science. 2017. Vol. 396. P. 1420–1426. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.11.176
44. Jiang H., Han K., Li D., Cao Z. Synthesis and characterization of AlCo-CrFeNiNbx high entropy alloy coatings by laser cladding // Crystals. 2019. Vol. 9. No. 1. Article 56. https://doi.org/10.3390/cryst9010056
45. Liu S.S., Zhang M., Zhao G., Wang X.H., Wang J.F. Microstructure and properties of ceramic particle reinforced FeCoNiCrMnTi high entropy alloy laser cladding coating // Intermetallics. 2022. Vol. 140. Article 107402. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2021.107402
46. Zhong M., Wang D., He L., Ye X., Ouyang W., Xu Z., Zhang W., Zhou X. Microstructure and elevated temperature wear behavior of laser cladding NiMnFeCrAl high entropy alloy coating // Optics and Laser Technology. 2022. Vol. 149. Article 107845. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.107845
47. Zhang P., Xu Z., Yao Z., Liu Y., Lin S., He M., Lu S., Wu X. A high-corrosion-resistant high-entropy alloys (HEAs) coatings with single BCC solid solution structure by laser remelting // Materials Letters. 2022. Vol. 324. Article 132728. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132728
48. Liu H., Li X., Liu J., Gao W., Du X., Hao J. Microstructural evolution and properties of dual-layer CoCrFeMnTi0.2 high-entropy alloy coating fabricated by laser cladding // Optics and Laser Technology. 2021. Vol. 134. Article 106646. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106646
49. 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
50. Liu S.S., Zhang M., Zhao G.L., Wang X.H., Wang J.F. Microstructure and properties of ceramic particle reinforced FeCoNiCrMnTi high entropy alloy laser cladding coating // Intermetallics. 2022. Vol. 140. Article 107402. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2021.107402
51. Jiang X.J., Wang S.Z., Fu H., Chen G.Y., Ran Q.X., Wang S.Q., Han R.H. A novel high entropy alloy coating on Ti-6Al-4V substrate by laser cladding // Materials Letters. 2022. Vol. 308. Part B. Article 131131. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.131131
52. Deng C., Wang C., Chai L., Wang T., Luo J. Mechanical and chemical properties of CoCrFeNiMo0,2 high entropy alloy coating fabricated on Ti-6Al-4V by laser cladding // Intermetallics. 2022. Vol. 144. Article 107504. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2022.107504
53. Bingyuan H., Shaoyi B., Wenbo D., Weixing H., Xue Y., Fangfang C., Jiajie C., Xianghan G., Sheng Z. Laser-irradiation-induced dynamically recrystallized microstructure and properties of supersonic-particle-deposited Ni-Fe-Cr-Nb-Ti-Al high-entropy alloy coating ting // Materials Characterization. 2022. Vol. 183. Article 111600. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2021.111600
54. Guo J., Goh M., Zhu Z, Lee X., Nai M.L.S., Wei J. On the machining of selective laser melting CoCrFeMnNi high-entropy alloy // Materials and Design. 2018. Vol. 153. P. 211–220. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.05.012
55. Lindner T., Lobel 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
56. Erdogan A., Günen A., Gök M.S., Zeytin S. Microstructure and mechanical properties of borided CoCrFeNiAl0.25Ti0.5 high entropy alloy produced by powder metallurgy // Vacuum. 2021. Vol. 183. Article 109820. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109820
57. Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Zagulyaev D.V., Konovalov S.V., Rubannikova 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
58. Структура и свойства высокоэнтропийных сплавов / В.Е. Громов, С.В. Коновалов, Ю.Ф. Иванов, К.А. Осинцев, Ю.А. Шлярова, А.П. Семин. Новокузнецк: Сибирский государственный индустриальный университет, 2022. 230 с.
59. Gromov V.E., Konovalov S.V., Ivanov Yu.F., Shliarova Yu.A., Vorobyov S.V., Semin A.P. Structure and properties of the
60. CrMnFeCoNi high-entropy alloy irradiated with a pulsed electron beam // Journal Materials Research and Technology. 2022. Vol. 19. P. 4258–4269. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.06.108
61. Osintsev K.A., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Konovalov S.V., Panchenko I.A., Vorobyov S.V. Evolution of structure in AlCoCrFeNi high-entropy alloy irradiated by pulsed electron beam // Metals. 2021. Vol. 11. No. 8. Article 1228. https://doi.org/10.3390/met11081228
62. Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Осинцев К.А., Воробьев С.В., Панченко И.А. Фрактография поверхности разрушения высокоэнтропийного сплава CrMnFeCoNi после электронно-пучковой обработки // Известия вузов. Черная металлургия. 2022. Т. 65. № 6. С. 427–433. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-6-427-433
63. Громов В.Е., Шлярова Ю.А., Иванов Ю.Ф., Коновалов С.В., Воробьев С.В. Влияние электронно-пучковой обработки на характер разрушения высокоэнтропийного Cr-Mn-Fe-Co-Ni-сплава // Металловедение и термическая обработка металлов. 2022. № 5 (803). С. 35–39. https://doi.org/10.30906/mitom.2022.5.35-39
64. Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Konovalov S.V., Osintsev K.A. Effect of electron beam treatment on the structure and properties of AlCoCrFeNi high-entropy alloy // CIS Iron and Steel Review. 2021. Vol. 22. P. 72–76. https://doi.org/10.17580/cisisr.2021.02.13
65. Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Шлярова Ю.А., Коновалов С.В., Воробьев С.В., Кириллова А.В. Модифицирование структуры и свойств высокоэнтропийного сплава CrMnFeCoNi импульсным электронным пучком // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2022. № 1. С. 65–76. https://doi.org/10.54826/19979258_2022_1_65
Рецензия
Для цитирования:
Громов В.Е., Коновалов С.В., Перегудов О.А., Ефимов М.О., Шлярова Ю.А. Покрытия из высокоэнтропийных сплавов: состояние проблемы и перспективы развития. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2022;65(10):683-692. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-10-683-692
For citation:
Gromov V.E., Konovalov S.V., Peregudov O.A., Efimov M.O., Shlyarova Yu.A. Coatings from high-entropy alloys: State and prospects. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2022;65(10):683-692. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-10-683-692