Центробежная СВС-металлургия легированных высокоэнтропийных литых сплавов на основе системы Co-Cr-Fe-Ni-Mn-(X)

Относительно новым перспективным подходом в создании металлических сплавов, которые в перспективе могли бы заменить ряд существующих коммерчески применяемых сплавов, является использование новой концепции легирования, основанной на разработке металлических материалов, включающих в своем составе несколько основных элементов, взятых приблизительно в равных атомных концентрациях. Такие материалы получили название «высокоэнтропийные сплавы» (ВЭС). Современные исследования показали, что микроструктура ВЭС может формироваться из твердых растворов с типом решетки как ОЦК, так и ГЦК, а также иметь в своем составе упорядоченные фазы (интерметаллиды) Такой подход формирования металлических материалов предоставляет широкие возможности для разработки новых сплавов с повышенными эксплуатационными характеристиками. Большая часть современных исследований ВЭС посвящена выяснению связи микроструктуры и измеряемых свойств. Значительно меньшее внимание уделяется изучению и разработке новых эффективных методов получения ВЭС. В настоящей работе исследована возможность получения ВЭС на основе системы CoCrFeNiMn-(X) в режиме горения методами центробежной СВС-металлургии. Впервые отработаны химико-технологические приемы модифицирования литого CoCrFeNiMn-сплава непосредственно (in situ) в процессе синтеза путем введения легирующих компонентов в исходные экзотермические составы. Проведен анализ микроструктуры и фазового состава полученных сплавов NiCrCoFeMn при введении комплексной модифицирующей добавки Ti—Si—В(С) и избыточного алюминия NiCrCoFeMn—Al_x. Полученные данные показали, что при увеличении содержания добавки Ti—Si—В(С) микроструктура продуктов синтеза формируется на основе матрицы из ВЭС, при этом наблюдаются выделения новых структурных элементов на основе карбидов и боридов титана. Выявлено, что при синтезе в режиме горения сплавов с высокой концентрацией Al (x > 0,6) образуется композиционная структура, состоящая из матрицы на основе фазы NiAl, а многочисленные дисперсионные наноразмерные выделения (~100 нм) формируются из твердого раствора на основе Cr и Fe. Полученные экспериментальные данные позволяют сделать заключение о перспективности исследуемых материалов на основе ВЭС и предлагаемого метода их получения для формирования объемных наноструктурных материалов на основе ВЭС.

1. Roger C. Reed. The superalloys: Fundamentals and applications. Cambridge — New York: Cambridge University Press, 2006. http://www.cambridge.org/9780521859042.

2. Колобов Ю.Р., Каблов Е.Н., Козлов Э.В. Структура и свойства интерметаллидных материалов с нанофазным упрочнением. М.: Изд-во МИСиС, 2008.

3. Kolobov Yu.R., Kablov E.N., 3. Yeh J. W, Chen S.K., Lin S.J., Gan J.Y., Chin T.S., Shun TT, Tsau C.H., ChangS.Y. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: Novel alloy design concepts and outcomes. Adv. Eng. Mater. 2004. Vol. 6. No. 5. P. 299—303.

4. Yeh J.W. Recent progress in high-entropy alloys. Ann. Chim. Sci. Mater. 2006. Vol. 31. No. 6. P. 633—648.

5. Gorr B., Azim M., Christ H.-J., Mueller T, Schliephake D., Heilmaier M. Phase equilibria, microstructure, and high temperature oxidation resistance of novel refractory high-entropy alloys. J. Alloys Compd. 2015. Vol. 624. No. 9. P. 270—278.

6. Tong C.J., Chen M.R., Chen S.K., Yeh J.W., Shun T.T., Lin S.J., Chang S.Y. Mechanical performance of the AlxCoCrCuFeNi high-entropy alloy system with multiprincipal elements. Metall. Mater. Trans. A. 2005. Vol. 36. P. 1263—1271.

7. Miracle D.B., Senkov O.N. A critical review of high entropy alloys and related concepts. Acta Mater. 2017. Vol. 122. P. 448—511. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.08.081.

8. Gorsse S., Miracle D.B., Senkov O.N. Mapping the world of complex concentrated alloys. Acta Mater. 2017. Vol. 135. P. 177—187. DOI: 10.1016/j.actamat.2017.06.027.

9. Tsai M.-H., Yeh J.-W. High-entropy alloys: A critical review. Mater. Res. Lett. 2014. Vol. 2. No. 3. P. 107—123. DOI:10.1080/21663831.2014.912690.

10. 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. Prog. Mater. Sci. 2014. Vol. 61. P. 1— 93. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2013.10.001.

11. Tsai Ming-Hung. Physical properties of high entropy alloys. Entropy. 2013. Vol. 15. No. 12. P. 5338—5345

12. Yeh Jien-Wei, Gao M.C., Yeh J-W, Liaw P.K., Zhang Y Overview of high-entropy alloys. In: High-entropy alloys fundamentals and applications. Switzerland: Springer, 2016. P. 1—19.

13. Miracle D.B., Miller J.D., Senkov O.N., Woodward Ch., Uchic M.D., Tiley J. Exploration and development of high entropy alloys for structural applications. Entropy. 2014. Vol. 16. No. 1. P. 494—525.

14. Zhijun Wang, Sheng Guo, Qing Wang, Zhiyuan Liu, Jin-cheng Wang, Yong Yang, Liu C.T. Nanoindentation characterized initial creep behavior of a high-entropy-based alloy CoFeNi. Intermetallics. 2014. Vol. 53. P. 183—186.

15. Senkov O.N., Wilks G.B., Miracle D.B., Chuang C.P, Liaw PK. Refractory high-entropy alloys. Intermetallics. 2010. Vol. 18. No. 9. P. 1758—1765. DOI: 10.1016/j.intermet.2010.05.014.

16. Senkov O.N., Wilks G.B., Scott J.M., Miracle D.B. Mechanical properties of Nb25Mo25Ta25W25 and V20Nb20Mo20Ta20W20 refractory high entropy alloys. Intermetallics. 2011. Vol. 19. No. 5. P. 698—706. DOI: 10.1016/j.intermet.2011.01.004.

17. Juan C.-Ch., Tseng K.-K, Hsu W.-L., Tsai M.-H., Tsai Ch.-W, Lin Ch.-M., Chen S.-K., Lin S.-J., Yeh J.-W. Solution strengthening of ductile refractory HfMoxNbTaTiZr high-entropy alloys. Mater. Lett. 2016. Vol. 175. P. 284—287.

18. Senkov O.N., Woodward C.F. Microstructure and properties of a refractory NbCrMo0 5Ta0 5TiZr alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2011. Vol. 529. No. 1. P. 311—320. DOI: 10.1016/j.msea.2011.09.033.

19. Senkov O.N., Senkova S.V, Woodward C., Miracle D.B. Low-density, refractory multi-principal element alloys of the Cr—Nb—Ti—V—Zr system: Microstructure and phase analysis. Acta Mater. 2013. Vol. 61. No. 5. P. 1545— 1557. DOI: 10.1016/j.actamat.2012.11.032.

20. Senkov O.N., Senkova S.V, Miracle D.B., Woodward C. Mechanical properties of low-density, refractory multiprincipal element alloys of the Cr—Nb—Ti—V—Zr system. Mater. Sci. Eng. A. 2013. Vol. 565. P. 51—62. DOI: 10.1016/j.msea.2012.12.018.

21. Han Z.D., Luan H.W, Liu X., Chen N, Li X.Y., Shao Y, Yao K.F. Microstructures and mechanical properties of TixNbMoTaW refractory high-entropy alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2018. Vol. 712. No. 17. P. 380—385. doi:10.1016/J.MSEA.2017.12.004.

22. Guo N.N., Wang L., Luo L.S., Li X.Z., Chen R.R., Su Y.Q., Guo J.J., Fu H.Z. Microstructure and mechanical properties of refractory high entropy (Mo0.5NbHf0.5ZrTi) BCC/M5Si3 in-situ compound. J. Alloys Compd. 2016. Vol. 660. P. 197—203. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.11.091.

23. Juan C.-C, Tsai M.-H, Tsai C.-W, Lin C.-M, Wang W.-R., Yang C.-C., Chen S.-K., Lin S.-J., Yeh J.-W. Enhanced mechanical properties of HfMoTaTiZr and HfMoNbTaTiZr refractory high-entropy alloys. Intermetallics. 2015. Vol. 62. P. 76—83. DOI: 10.1016/J.INTERMET.2015.03.013.

24. Stepanov N.D., Yurchenko N.Yu, Shaysultanov D.G., Sali-shchev G.A., Tikhonovsky M.A. Effect of Al on structure and mechanical properties of AlxNbTiVZr (x = 0, 0.5, 1, 1.5) high entropy alloys. Mater. Sci. Technol. 2015. Vol. 31. P. 1184-1193. DOI: 10.1179/1743284715Y.0000000032.

25. Otto F, Dlouhy A., Somsen C, Bei H, Eggeler G, George E.P. The influences of temperature and microstructure on the tensile properties of a CoCrFeMnNi high-entropy alloy. Acta Mater. 2013. Vol. 61. No. 15. P. 5743-5755. DOI: 10.1016/j.actamat.2013.06.018.

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

27. Otto F., Dlouhy A., Pradeep K.G., Kubenova M., Raabe D., Eggeler G., George E.P. Decomposition of the single-phase high-entropy alloy CrMnFeCoNi after prolonged anneals at intermediate temperatures. Acta Mater. 2016. Vol. 112. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.04.005.

28. Zhu G., Liu Y., Ye J. Early high-temperature oxidation behavior of Ti(C,N)-based cermets with multi-component AlCoCrFeNi high-entropy alloy binder. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2014. Vol. 44. P. 35-41. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2014.01.005.

29. Stepanov N.D., Yurchenko N.Y, Sokolovsky V.S., Tik-honovsky M.A., Salishchev G.A. An AlNbTiVZr0.5 high-entropy alloy combining high specific strength and good ductility. Mater. Lett. 2015. Vol. 161. P. 136-139. DOI: 10.1016/j.matlet.2015.08.099.

30. Sanin V.N., Ikornikov D.M., Andreev D.E., Yukhvid VI. Centrifugal SHS metallurgy of nickel aluminide based eutectic alloys. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2014. Vol. 55. No. 6. P. 613-619. DOI: 10.3103/S1067821214060212.

31. Sanin V, Andreev D., Ikornikov D., Yukhvid V. Cast intermetallic alloys and composites based on them by combined centrifugal casting - SHS Process. Open J. Met. 2013. Vol. 3. No. 2B. P. 12-24. DOI: 10.4236/ojmetal.2013.32A2003.

32. Санин В.Н., Юхвид В.И., Икорников ДМ, Андреев Д.Е., Сачкова Н.Д, Алымов М.И. СВС-металлургия литых высокоэнтропийных сплавов на основе переходных металлов. Докл. Академии наук. 2016. Т. 470. No. 4. С. 421-426. DOI: 10.7868/S0869565216280124.

33. Klimova M., Stepanov N., Shaysultanov D., Chernichen-ko R., Yurchenko N., Sanin V, Zherebtsov S. Microstructure and mechanical properties evolution of the Al, C-containing CoCrFeNiMn-type high-entropy alloy during cold rolling. Materials. 2018. Vol. 11. No. 53. https://doi.org/10.3390/ma11010053

34. Kashaev N., Ventzke V, Stepanov N., Shaysultanov D., Sanin V, Zherebtsov S. Laser beam welding of a CoCrFeNiMn-type high entropy alloy produced by self-propagating high-temperature synthesis. Interme-tallics. 2018. Vol. 96. P. 63-71. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2018.02.014.