Розробка та виплавка ливарних високоентропійних сплавів на основі системи Fe–Co–Ni–Mn–Cr

Анотація

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України (Київ, Україна)

УДК 621.74:669.017.15

Проведено огляд літератури та визначено умови утворення невпорядкованих твердих розчинів заміщення з об’ємно-центрованою кубічною (ОЦК), гранецентрованою кубічною (ГЦК) і ОЦК+ГЦК-гратками та евтектичною структурою у високоентропійних сплавах (ВЕСах). За утворення твердого розчину у ВЕСах відповідають наступні параметри: ентропія змішування 13,4 < ΔSmix ≤ 22 Дж/моль·К; ентальпія змішування – 12 < ΔHmix < 3,2 кДж/моль; різниця атомних розмірів 0 ≤ δ < 6,6 % та різниця електронегативностей елементів Δχ ≤ 0,12; концентрація валентних електронів VEC > 8 (ГЦК), VEC < 6,87 (ОЦК), 6,87 < VEC < 8 (ОЦК+ГЦК); термодинамічний параметр Ω > 1,1. Розроблено конструкцію та виготовлено спеціальну вакуумну індукційну піч для виплавки високоентропійних сплавів. Вольфрамовий нагрівач замінено на індукційний нагрів за допомогою високочастотного генератора KLN виробництва німецької фірми Leybold Heraeus GMBH, потужністю 6 кВт, частотою 20-22 кГц, максимальна температура перегріву розплаву не більше 1800 0С. Плавку сплавів проводили в середовищі високочистого аргону з надлишковим тиском 15-20 кПа в алундовому тиглі, який поміщали в графітовий стакан. Встановлено оптимальні режими плавки ВЕСів, які забезпечують одержання гомогенних виливок: нагрів до температури 1600 0С зі швидкістю 20-50 0С/хв, витримка в рідкому стані 30 хв, та охолодження з піччю. Вимірювання хімічного складу сплаву по перерізу зливка проводили за допомогою мікрозондового аналізатора MS-46 французської фірми «CAMECA». Серед елементів найменший розкид концентрації по перетину шліфа зразків показав кобальт, а найбільший – марганець, при збільшенні кількості переплавів розкид вмісту елементів зменшувався. Концентрація елементів Fe, Co, Ni, Cr в центрі зразка більша, ніж з краю, а для Mn − навпаки. Після кожного переплаву маса зразка із сплаву FeCoNiMnCr зменшувалася не більше, ніж на 1 % мас. част., а із сплаву FeCoNiCr загальний угар компонентів сплаву складав не більше 0,1 % мас. част.

Список літератури

 1 US 2002/0159917 A1, Int. Cl. C22C 30/00. High-entropy multielemental alloys / J.-W. Yeh // №. 09/706,710; appl. Apr. 29, 2002; pub. Oct. 31. 2002, Patent publication application [in English].
 2 Ranganathan, S. (2003). Alloyed pleasures: multimetallic cocktails. Current science, vol. 85, pp. 1404–1406 [in English].
 3 Ranganathan, S. (2003). Alloyed pleasures: multimetallic cocktails. Current science, vol. 85, pp. 1404–1406 [in English].
 4 Zhang, Y., Zhou, Y. J., Lin, J. P., Chen, G. L., Liaw, P. K. (2008). Solid-solution phase formation rules for multi-component alloys. Adv. Eng. Mater., vol. 10, no. 6, pp. 534–538 [in English].
 5 Zhang, Y., Zuo, T. T., Tang, Z., Gao, M. C., Dahmen, K. A., Liaw, P. K., Lu, Z. P. (2014). Microstructures and properties of high-entropy alloys. Prog. Mater. Sci., vol. 61, pp. 1–93 [in English].
 6 Yang, X., Zhang, Y. (2012). Prediction of high-entropy stabilized solid-solution in multicomponent alloys. Mater. Chem. Phys., vol. 132, pp. 233–238 [in English].
 7 Guo, S., Liu, C.T. (2011). Phase stability in high entropy alloys: Formation of solid-solution phase or amorphous phase. Prog. Nat. Sci.: Mater. Int., no. 21, pp. 433–446 [in English].
 8 Lu, Y.P., Jiang, H., Guo, S., Wang, T.M., Cao, Z.Q., Li, T.J. (2017). A new strategy to design eutectic high-entropy alloys using mixing enthalpy. Intermetallics, vol. 91, pp. 124–128 [in English].
 9 Jiang, H., Han, K., Gao, X., Lu, Y., Cao, Z., Gao, M.C., Hawk, J.A., Li, T. (2018). A new strategy to design eutectic high-entropy alloys using simple mixture method. Mater. Des., vol. 142, pp. 101–105 [in English].
10 in, X., Zhou, Y., Zhang, L., Du, X. Y., Li, B. S. (2018). A new pseudo binary strategy to design eutectic high entropy alloys using mixing enthalpy and valence electron concentration. Mater. Des., vol. 143, pp. 49–55 [in English].
11 Ding, Z.Y., He, Q.F., Yang, Y. (2018). Exploring the design of eutectic or near-eutectic multicomponent alloys: From binary to high entropy alloys. Sci. China-Tech. Sci., vol. 61, issue 2, pp. 159–167 [in English].
12 Lu, Y., Dong, Y., Jiang, H., Wang, Z., Cao, Z., Guo, S., Wang, T., Li, T., Liaw, P. K. (2020). Promising properties and future trend of eutectic high entropy alloys. Scripta Materialia, vol. 187, pp. 202–209 [in English].
13 Lu, Y. P., Dong, Y., Guo, S., Jiang, L., Kang, H. J., Wang, T. M., Wen, B., Wang, Z. J., Jie, J. C., Cao, Z. Q., Ruan, H. H., Li, T. J. (2014) A Promising New Class of High-Temperature Alloys: Eutectic High-Entropy Alloys. Sci. Rep., vol. 4, p. 6200 [in English].
14 Dong, Y., Yao, Z. Q., Huang, X., Du, F. M., Li, C. Q., Chen, A. F., Wu, F., Cheng, Y. Q., Zhang, Z. R. (2020). Microstructure and mechanical properties of AlCoxCrFeNi3-x eutectic highentropy-alloy system. J. Alloys. Compd., vol. 823, no. 153886, 8 pages [in English].
15 Wu, Q. F., Wang, Z. J., Zheng, T., Chen, D., Yang, Z. S., Li, J. J., Kai, J. J., Wang, J. C. (2019). A casting eutectic high entropy alloy with superior strength-ductility combination. Mater. Lett., vol. 253, pp. 268–271 [in English].
16 Dong, Y., Lu, Y. P., Kong, J. R., Zhang, J. J., Li, T. J. (2013). Microstructure and mechanical properties of multi-component AlCrFeNiMox high-entropy alloys. J. Alloys. Compd., vol. 573, pp. 96–101 [in English].
17 Guo, S., Ng, C., Liu, C. T. (2013). Anomalous solidification microstructures in Co-free AlxCrCuFeNi2 high-entropy alloys. J. Alloys Compd., vol. 557, pp. 77–81 [in English]
18 Yang, Z. S., Wang, Z. J., Wu, Q. F., Zheng, T., Zhao, P., Zhao, J. K., Chen, J. Y. (2019). Enhancing the mechanical properties of casting eutectic high entropy alloys with Mo addition . Appl. Phys. A., vol. 125, issue 3, no. 208, 6 pages [in English].
19 Shafiei, A., Rajabi, S. (2019). A cobalt-rich eutectic high-entropy alloy in the system Al–Co–Cr–Fe–Ni. Appl. Phys. A., vol. 125, issue 11, no. 783, 11 pages [in English].
20 He, F., Wang, Z. J., Cheng, P., Wang, Q., Li, J. J., Dang, Y. Y., Wang, J. C., Liu, C. T. (2016). Designing eutectic high entropy alloys of CoCrFeNiNbx. J. Alloys Compd., vol. 656, pp. 284–289 [in English].
21 Zhang, L. J., Yu, P. F., Fan, J. T., Zhang, M. D., Zhang, C. Z., Cui, H. Z., Li, G. (2020). Investigating the micro and nanomechanical properties of CoCrFeNi-Cx high-entropy alloys containing eutectic carbides. Mater. Sci. Eng. A., vol. 796, no. 140065, 9 pages [in English].