Взаимная диффузия в системах на основе тугоплавких металлов с ОЦК-решеткой: титан–тантал и титан – многокомпонентный (высокоэнтропийный) сплав

Изучены особенности взаимной диффузии в многокомпонентных (высокоэнтропийных) сплавах на основе тугоплавких металлов. В качестве объектов диффузионного исследования были выбраны следующие пары: титан – эквиатомный сплав (Hf–Nb–Ta–Ti–Zr–Mo) и, для сравнения, титан–тантал. Рассмотрены вопросы приготовления образцов, исследования микроструктуры, методика подготовки образцов для изучения диффузии и экспериментальные результаты. Диффузионный отжиг был проведен в течение 12 ч в вакууме с остаточным давлением аргона 6,65·10–3 Па при температуре 1200 °С. Особое внимание уделено методике соединения диффузионных пар (титана с танталом, титана со сплавом) путем термоциклирования вблизи температуры полиморфного превращения в титане (882 °С) в пределах ±50 °С. Показано поведение наиболее характерных элементов (Ta, Zr, Ti) в области сварного шва после соединения диффузионной пары титана и сплава. Впервые получены данные о зависимости интенсивности соответствующей линии спектра для титана и элементов многокомпонентного сплава от глубины проникновения. Изменение интенсивности сигнала для элементов систем наблюдается на глубине 150–200 мкм, а резкое падение интенсивности сигнала происходит на глубинах порядка 50 мкм. Рассчитано усредненное по всем элементам системы легирования сплава (за исключением титана) эффективное значение коэффициента диффузии элементов в титан при температуре 1200 °С. Проведено сравнение полученного значения со справочными данными: коэффициентом самодиффузии в β-титане, коэффициентами диффузии в парах титана с легирующими элементами сплава.

1. Divinski S.V., Lukianova O.A., Wilde G., Dash A., Esakkiraja N., Paul A. High-entropy alloys: Diffusion. Encyclopedia of Materials: Metals and Alloys. 2020; 1—18. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.11771-0

2. Yong Zhang, Ting Ting Zuo, Zhi Tang, Michael C. Gao, Karin A. Dahmen, Peter K. Liaw, Zhao Ping Lu. Microstructures and properties of high-entropy alloys. Progress in Materials Science. 2014; 61: 1—93. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2013.10.001

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 highentropy alloys with multiple principal elements: novel alloy design concepts and outcomes. Advanced Engineering Materials. 2004; (6): 299—303.

4. Yeh J.W. Recent progress in high-entropy alloys. European Journal of Control. 2006; 31: 633—648.

5. Kumar P., Avasthi S. Diffusion barrier with 30-fold improved performance using AlCrTaTiZrN high-entropy alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2020; 814: 151755.

6. Dabrowa J., Zajusz M., Kucza W., Cie lak G., Berent K., Czeppe T., Kulik T., Danielewski M. Demystifying the sluggish diffusion effect in high entropy alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2019; 783: 193—207. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.12.300

7. Glienke M., Vaidya M., Gururaj K., Daum L., Tas B., Rogal L., Pradeep K., Divinski S., Wilde G. Grain boundary diffusion in CoCrFeMnNi high entropy alloy: Kinetic hints towards a phase decomposition. Acta Materialia. 2020; 195: 304—316.

8. Vaidya M., Sen S., Zhang X., Frommeyer L., Rogal L. Phenomenon of ultra-fast tracer diffusion of Co in HCP high entropy alloys. Acta Materialia. 2020; 196: 220—230.

9. Beke D., Erdélyi G. On the self- and impurity diffusion in high entropy alloys. Diffusion Foundations. 2018; 17: 105—114.

10. Lacour-Gogny-Goubert A., Huvelin Z., Perrut M., Boivin D., Horezan N., Guillot I., Vermaut Ph., Couzinie J.P. Effect of Mo, Ta, V and Zr on a duplex bcc+orthorhombic refractory complex concentrated alloy using diffusion couples. Intermetallics. 2020; 124: 106836.

11. Vaidya M., Pradeep K.G., Murty B. S., Wilde G., Divinski S.V. Radioactive isotopes reveal a non sluggish kinetics of grain boundary diffusion in high entropy alloys. Scientific Reports. 2017; 7: 12293.

12. Kottke J., Daniel Utt, Laurent-Brocq M., Adnan Fareed, Gaertner D., Perrière L., Rogal L., Stukowski A., Able K., Divinski S., Wilde G. Tracer diffusion in the Ni—CoCrFeMn system: Transition from a dilute solid solution to a high entropy alloy. Scripta Materialia. 2018; 159: 94—98.

13. Moghaddam A.O., Trofimov E.A. Toward expanding the realm of high entropy materials to platinum group metals: A review. Journal of Alloys and Compounds. 2021; 851: 156838.

14. Zhenbang Wei, Cuiping Wang, Shiyang Qin, Yong Lu, Xiang Yu, Xingjun Liu. Assessment of atomic mobilities for bcc phase in the Ti—Nb—V system. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2020; 41: 191—206.

15. Разумовский И.М., Береснев А.Г., Логачева А.И., Разумовский М.И., Бокштейн Б.С., Родин А.О. Сплавы на основе многих тугоплавких металлов — новое поколение жаропрочных композиционных материалов. Конструкции из композиционных материалов. 2019; (1): 45—50.

16. Шелехов Е.В., Свиридова Т.А. Программы для рентгеновского анализа поликристаллов. Металловедение и термическая обработка металлов. 2000; 42 (8): 309—313.

17. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. 2-е изд. М.: Ленанд, 2019.

18. Mehrer H. Diffusion in solids. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2007. https://doi.org/10.1007/978-3-540-71488-0

19. Reca N., Libanati Y. Autodifusion de titanio beta y hafnio beta. Acta Metallurgica. 1968; 16: 1297—1305.

20. Павлинов Л.В. Диффузия металлических примесей в цирконии и титане. Физика металлов и металловедение. 1967; 24 (2): 272—277.

21. Pontau A.E., Lazarus D. Diffusion of titanium and niobium in bcc Ti—Nb alloys. Physical Review B. 1979; 19: 4027.

22. Ansel I., Thibon M., Debuigne J. Interdiffusion in the body cubic centred β-phase of Ta—Ti alloys. Acta Materialia. 1998; 46 (2): 423—430.

23. Le Gall G., Ansel D., Debuigne J. Interdiffusion in the body cubic centered β-phase of titanium—hafnium alloys. Acta Metallurgica. 1987; 35 (9): 2297—2305.

24. Bernstein N., Shabaev A., Lambrakos S.G. First principles study of normal and fast diffusing metallic impurities in hcp titanium. Computational Materials Science. 2015; 109: 380—387.