Покрытия из высокоэнтропийных сплавов: состояние проблемы и перспективы развития

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.

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