Структурные особенности высокоэнтропийного сплава HfTaTiNbZr, полученного методом высокоэнергетической механической обработки

Методами высокоэнергетической механической обработки (ВЭМО) и искрового плазменного спекания (ИПС) получен высокоэнтропийный сплав (ВЭС) состава HfTaTiNbZr эквимолярной концентрации из порошковых компонентов. Обработку исходных порошков проводили в шаровой планетарной высокоэнергетической мельнице в течение 20, 40, 60 и 90 мин. На основе исследований морфологии поверхности, микроструктуры и фазового состава образцов ВЭС показано, что многокомпонентная порошковая смесь Hf + Ta + Ti + Nb + Zr претерпевает существенные структурные изменения в процессе ВЭМО. Исходя из данных рентгенофазового анализа (РФА) установлено, что обработка в мельнице в течение 20 мин приводит к образованию твердого раствора на основе Hf (Fm3m) с ГЦК-структурой. Последующая ВЭМО в течение 40 мин способствует образованию твердого раствора на основе Ta (Im3m) с ОЦК-структурой. После 60-минутной обработки на дифрактограмме пики твердых растворов на основе Hf и Ta полностью сливаются, образуя один общий асимметричный пик в интервале углов~35+51°. Выявлено, что формирование ВЭС состава HfTaTiNbZr с ОЦК-структурой наблюдается после 90 мин ВЭМО. По данным сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) материал имеет гомогенную структуру, результаты энергодисперсионного анализа показали, что исходные элементы Ti, Hf, Ta, Nb, Zr равномерно распределены в объеме материала. Порошки, полученные после 90 мин ВЭМО, спекались при t = 1150 и 1350 °С в течение 10 мин. Результаты РФА, СЭМ и энергодисперсионной спектрометрии высокоэнтропийных сплавов, консолидированных методом ИПС при t = 1350 °С, показали, что материал состоит преимущественно из одной фазы с ОЦК-структурой и небольшого количества Hf₂Fe и ZrO. Твердость спеченного материала ВЭС (10,7 ГПа) превышала твердость консолидированного из смеси исходных элементов (6,2 ГПа) в 1,8 раза. Плотность спеченных при t = 1350 °С образцов из исходных и ВЭС-порошков составила 9,49 г/см³ (95,8 %) и 9,87 г/см³ (99,7 %) соответственно.

1. Cantor B, Chang I.T.H., Knight P., Vincent A.J.B. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2004. Vol. 375—377. P. 213— 218. doi 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. Adv. Eng. Mater. 2004. Vol. 6. P. 299—303. doi10.1002/adem.200300567.

3. Senkov O.N., Miracle D.B., Chaput K.J. Development and exploration of refractory high entropy alloys: A review. J. Mater. Res. 2018. Vol. 33. No. 19. P. 3092—3128.

4. Ye Y.F., Wang Q, Lu J., Liu C.T., Yang Y High-entropy alloy: Challenges and prospects. Mater. Today. 2016. Vol. 19. Iss. 6. P. 349-362.

5. Yeh J.-W, ChenS.-K, Gan J.-W, LinS.-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 multi-principal metallic elements. Metall. Mater. Trans. A. 2004. Vol. 35. P. 2533-2536. doi10.1007/s11661-006-0234-4.

6. Guo S, Liu C.T. Phase stability in high entropy alloys: Formation of solid solution or amorphous phase. Prog. Natur. Sci. Mater. Int. 2011. Vol. 21. P. 433-446.

7. Guo S, Ng C., Lu J, Li C.T. Effect of valence electron concentration on stability of FCC or BCC phase in high entropy alloys. J. Appl. Phys. 2011. Vol. 109. No. 103505.

8. Zhang Y., Zuo T.T., TangZ., GaoM.C.,DahmenK.A., LiawP.K., Lu Z.P. Microstructures and properties of high-entropy alloys. Prog. Mater. Sci. 2014. Vol. 61. P. 1-93.

9. Gali A., George E.P. Tensile properties of high- and medium-entropy alloys. Intermetallics. 2013. Vol. 39. P. 74-78.

10. Otto F., Dlouhy A., Somsen Ch., Bei H., Eggeler G., George E.P. The influence of temperature and microstructure on tensile properties of a CoCrFeMnNi high-entropy alloy. Acta Mater. 2013. Vol. 61. P. 5743-5755.

11. Kilmametov A., Kulagin R., Mazilkin A., Seils S., Boll T, Heilmaier M., Hahn H. High-pressure torsion driven mechanical alloying of CoCrFeMnNi high entropy alloy. Scripta Mater. 2019. Vol. 158. P. 29-33.

12. Zhu C., Lu Z.P., Nieh T.G. Incipient plasticity and dislocation nucleation of FeCoCrNiMn high-entropy alloy. Acta Mater. 2013. Vol. 61. P. 2993-3001.

13. GludovatzB., Honenwarter A., CatoorD., ChangE.H., George E.P., Ritchie R.O. A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications. Science. 2014. Vol. 345. P. 1153-1158.

14. Zhang Z.J., Mao M.M., Wang J., Gludovatz B., Zhang Z., Mao S.X., George E.P., Yu Q., Ritchie R.O. Nanoscale origins of the damage tolerance of the high-entropy alloy CrMnFeCoNi. Nat. Commun. 2015. Vol. 6. No. 10143. P. 1-6. DOI: 10.1038/ncomms10143.

15. Prusa F., Senkova A., Kucera V, Capek J., Vojtech D. Properties of high-strength ultrafine-grained CoCrFeNiMn high-entropy alloy prepared by short-term mechanical alloying and spark plasma sintering. Mater. Sci. Eng. A. 2018. Vol. 734. P. 341-352.

16. SunS.J., Tian Y.Z., LinH.R.,DongX.G., WangY.H., ZhangZ.J., Zhang Z.F. Enhanced strength and ductility of bulk CoCrFeMnNi high entropy alloy having fully recrystallized ultrafine-grained structure. Mater. Design. 2017. Vol. 133. P. 122-127.

17. Shahmir H., He J., Lu Z., Kawasaki M., Langdona T.G. Evidence for superplasticity in a CoCrFeNiMn high-entropy alloy processed by high-pressure torsion. Mater. Sci. Eng. A. 2017. Vol. 685. P. 342-348.

18. Senkov O.N., Scott J.M., Senkova S.V, Miracle D.B., Woodward C.F. Microstructure and room temperature properties of a high-entropy TaNbHfZrTi alloy. J. Alloys Compd. 2011. Vol. 509. P. 6043-6048.

19. Senkov O.N., Wilks G.B., Miracle D.B., Chuang C.P, Liaw P.K. Refractory high-entropy alloys. Intermetallics. 2010. Vol. 18. P. 758-1765.

20. He J.Y., Zhu C., Zhou D.Q., Liu W.H., Nieh T.G., Lu Z.P. Steady state flow of the FeCoNiCrMn high entropy alloy at elevated temperatures. Intermetallics. Vol. 55. P. 9-14.

21. Pickering E.J., Minoz-Moreno R., Stone H.J., Jones N.G. Precipitation in the equiatomic high-entropy alloy CrMnFeCoNi. Scripta Mater. 2016 Vol. 113. P. 106-109.

22. Otto F., Dlouhy A., Pradeep K.G., Kubenova M., Raabec D., Eggeler G., Georgea E.P. Decomposition of the singlephase high-entropy alloy CrMnFeCoNi after prolonged anneals at intermediate temperatures. Acta Mater. 2016. Vol. 112. P. 40-52.

23. Salishchev G.A., Tikhonovsky M.A., Shaysultanov D.G., Stepanov N.D., Kuznetsov A.V, Kolodiy I.V, Tortika A.S., Senkov O.N. Effect of Mn and V on structure and mechanical properties of high-entropy alloys based on CoCrFeNi system. J. Alloys Compd. 2014. Vol. 591. P. 11-21.

24. Gludovatz B., George E.P., Ritchie R.O. Processing, microstructure and mechanical properties of the CrMnFeCoNi high-entropy alloy. J. Metals. 2015. Vol. 67. No.10. P. 22622270. DOI: 10.1007/s11837-015-1589-z.

25. He F., Wang Z., Wu Q., Li J., Wang J., Liu C.T. Phase separation of metastable CoCrFeNi high entropy alloy at intermediate temperatures. Scripta Mater. 2017. Vol. 126. P. 15-19.

26. Vaidya M., Muralikrishna G.M., Murty B.S. High-entropy alloys by mechanical alloying: A review. J. Mater. Res. 2019. Vol. 34. P. 664-686.

27. RogachevA.S., VadchenkoS.G., KochetovN.A., RouvimovS., Kovalev D.Yu, Shchukin A.S., Moskovskikh D.O., Nepapu-shevA.A., Mukasyan A.S. Structure and properties of equiatomic CoCrFeNiMn alloy fabricated by high-energy ball milling and spark plasma sintering. J. Alloys Compd. 2019. Vol. 805. P. 1237-1245.

28. Wu YD., Cai Y.H., Wang J'., Si J.J., Zhu J., Wang Y.D., HuiX.D. A refractory Hf25Nb25Ti25Zr25 high-entropy alloy with excellent structural stability and tensile properties. Mater. Lett. 2014 Vol. 130. P. 277-280.

29. Singh A.K., Subramaniam A. On the formation of disordered solid solutions in multi-component alloys. J. Alloys Compd. 2004 Vol. 587. P. 113-119.

30. Idbenali M., Selhaoui N., Bouirden L., Servant C. Thermodynamic assessment of the Fe-Hf binary system. J. Alloys Compd. 2008. Vol. 456. P. 151-158.