ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. В настоящее время активно ведутся исследования такого нового класса материалов, как высокоэнтропийные сплавы. Одно из направлений их применения – создание защитных покрытий с высоким комплексом эксплуатационных свойств. Высокоэнтропийный сплав состава CoCrFeNiMn обладает высокой пластичностью, сохраняющейся как при повышенных, так и при криогенных температурах, а также высокой термической стабильностью и может рассматриваться в качестве перспективного для создания защитных покрытий. Однако его недостатки – низкая твердость и низкие прочностные характеристики. Известно, что введение упрочняющих частиц является эффективным способом повышения механических свойств покрытий. Предполагается, что введение упрочняющих частиц на основе боридов окажет положительное влияние на механические характеристики высокоэнтропийного сплава CoCrFeNiMn. Целью работы является изучение структурно-фазового состояния и износостойкости покрытий на основе высокоэнтропийного сплава состава CoCrFeNiMn, упрочненного частицами CrB. В работе исследованы покрытия, полученные методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковых смесей с различным соотношением массы металлических порошков CoCrNiMn и массы порошка CrB (100:0, 95:5, 90:10, 80:20, 70:30). Для изучения структурно-фазового состава покрытий использовались следующие методы исследования: оптическая микроскопия, растровая электронная микроскопия и рентгенофазовый анализ. Для изучения элементного состава применялся метод микрорентгеноспектрального энергодисперсионного анализа. Механические свойства оценивались по результатам измерения микротвердости покрытий. Износостойкость покрытий определяли в условиях сухого трения скольжения при возвратно-поступательном движении. Результаты и обсуждение. Введение порошка CrB в состав наплавляемой смеси приводит к формированию эвтектических структур. При введении в наплавочную смесь 5 масс. % CrB в покрытии формируется доэвтектическая структура. Увеличение количества CrB приводит к формированию покрытий с заэвтектической структурой, содержащей первичные бориды. Основными фазами, выявляемыми в составе покрытий, являются ГЦК-твердый раствор, бориды типа (Cr,Mn,Fe)2B, (Ni,Co,Mn)2B, а также CrB. Для всех исследуемых покрытий характерен адгезионный механизм изнашивания. Введение в состав порошковой смеси 20 и 30 % CrB приводит к повышению износостойкости покрытия на основе высокоэнропийного сплава в 3,6 и 6,1 раза соответственно.
Руктуев Алексей Александрович
Юргин Александр Борисович
Шикалов Владислав Сергеевич
Ухина Арина Викторовна
Чакин Иван Константинович
Домаров Евгений Вадимович
Довженко Глеб Денисович
1. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: novel alloy design concepts and outcomes / J.W. Yeh, S.K. Chen, S.J. Lin, J.Y. Gan, T.S. Chin, T.T. Shun, C.H. Tsau, S.Y. Chang // Advanced Engineering Materials. ? 2004. ? Vol. 6, iss. 5. ? P. 299–303. ? DOI: 10.1002/adem.200300567.
2. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys / B. Cantor, I.T.H. Chang, P. Knight, A.J.B. Vincent // Materials Science and Engineering: A. ? 2004. ? Vol. 375–377. ? P. 213–218. ? DOI: 10.1016/j.msea.2003.10.257.
3. Tsai M.H., Yeh J.W. High-entropy alloys: a critical review // Materials Research Letters. ? 2014. ? Vol. 2, iss. 3. ? P. 107–123. ? DOI: 10.1080/21663831.2014.912690.
4. George E.P., Raabe D., Ritchie R.O. High-entropy alloys // Nature Reviews Materials. – 2019. – Vol. 4, iss. 8. – P. 515–534. – DOI: 10.1038/s41578-019-0121-4.
5. Steurer W. Single-phase high-entropy alloys – A critical update // Materials Characterization. ? 2020. ? Vol. 162. ? P. 1–17. ? DOI: 10.1016/j.matchar.2020.110179.
6. Microstructures and properties of high-entropy alloys / Y. Zhang, T.T. Zuo, Z. Tang, M.C. Gao, K.A. Dahmen, P.K. Liaw, Z.P. Lu // Progress in Materials Science. ? 2014. ? Vol. 61. ? P. 1–93. ? DOI: 10.1016/j.pmatsci.2013.10.001.
7. Duchaniya R.K., Pandel U., Rao P. Coatings based on high entropy alloys: An overview // Materials Today: Proceedings. ? 2021. ? Vol. 44. ? P. 4467–4473. ? DOI: 10.1016/j.matpr.2020.10.720.
8. Li W., Liu P., Liaw P.K. Microstructures and properties of high-entropy alloy films and coatings: a review // Materials Research Letters. ? 2018. ? Vol. 6, iss. 4. ? P. 199–229. ? DOI: 10.1080/21663831.2018.1434248.
9. Fabrication and wear behavior of TiC reinforced FeCoCrAlCu-based high entropy alloy coatings by laser surface alloying / P.F. Jiang, C.H. Zhang, S. Zhang, J.B. Zhang, J. Chen, Y. Liu // Materials Chemistry and Physics. ? 2020. ? Vol. 255. ? P. 1–10. ? DOI: 10.1016/j.matchemphys.2020.123571.
10. In-situ TiC reinforced CoCrCuFeNiSi0.2 high-entropy alloy coatings designed for enhanced wear performance by laser cladding / Y. Guo, C. Li, M. Zeng, J. Wang, P. Deng, Y. Wang // Materials Chemistry and Physics. ? 2020. ? Vol. 242. ? P. 1–9. ? DOI: 10.1016/j.matchemphys.2019.122522.
11. Gu Z., Xi S., Sun C. Microstructure and properties of laser cladding and CoCr2.5FeNi2Tix high-entropy alloy composite coatings // Journal of Alloys and Compounds. ? 2020. ? Vol. 819. ? P. 1–10. ? DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.152986.
12. Formation and mechanical properties of CoNiCuFeCr high-entropy alloys coatings prepared by plasma transferred arc cladding process / J.B. Cheng, X.B. Liang, Z.H. Wang, B.S. Xu // Plasma Chemistry and Plasma Processing. ? 2013. ? Vol. 33, iss. 5. ? P. 979–992. ? DOI: 10.1007/s11090-013-9469-1.
13. On the study of thermal-sprayed Ni0.2Co0.6Fe0.2CrSi0.2AlTi0.2 HEA overlay coating / W.L. Hsu, H. Murakami, J.W. Yeh, A.C. Yeh, K. Shimoda // Surface and Coatings Technology. ? 2017. ? Vol. 316. ? P. 71–74. ? DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.02.073.
14. Technological applications of BINP industrial electron accelerators with focused beam extracted into atmosphere / S.N. Fadeev, M.G. Golkovski, A.I. Korchagin, N.K. Kuksanov, A.V. Lavruhin, S.E. Petrov, R.A. Salimov, A.F. Vaisman // Radiation Physics and Chemistry. ? 2000. ? Vol. 57, iss. 3–6. ? P. 653–655. ? DOI: 10.1016/s0969-806x(99)00499-5.
15. Influence of chromium concentration on corrosion resistance of surface layers of stainless steel / N.F. Uvarov, E. Bushueva, Y. Turlo, G. Khamgushkeeva // MATEC Web of Conferences. ? 2021. ? Vol. 340. ? P. 1–5. ? DOI: 10.1051/matecconf/202134001022.
16. Raising the resistance of chromium-nickel steel to hydroabrasive wear by non-vacuum electron-beam cladding with boron / E.G. Bushueva, B.E. Grinberg, V.A. Bataev, E.A. Drobyaz // Metal Science and Heat Treatment. ? 2019. ? Vol. 60, iss. 9–10. ? P. 641–644. ? DOI: 10.1007/s11041-019-00331-3.
17. Structure and properties of titanium surface layers after electron beam alloying with powder mixtures containing carbon / O.G. Lenivtseva, I.A. Bataev, M.G. Golkovskii, A.A. Bataev, V.V. Samoilenko, N.V. Plotnikova // Applied Surface Science. ? 2015. ? Vol. 355. ? P. 320–326. ? DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.07.043.
18. Structure of surface layers produced by non-vacuum electron beam boriding / I.A. Bataev, A.A. Bataev, M.G. Golkovski, D.S. Krivizhenko, A.A. Losinskaya, O.G. Lenivtseva // Applied Surface Science. ? 2013. ? Vol. 284. ? P. 472–481. ? DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.07.121.
19. Non-vacuum electron-beam carburizing and surface hardening of mild steel / I.A. Bataev, M.G. Golkovskii, A.A. Losinskaya, A.A. Bataev, A.I. Popelyukh, T. Hassel, D.D. Golovin // Applied Surface Science. ? 2014. ? Vol. 322. ? P. 6–14. ? DOI: 10.1016/j.apsusc.2014.09.137.
20. Formation of wear-resistant copper-bearing layers on the surfaces of steel substrates by non-vacuum electron beam acladding using powder mixtures / D.V. Lazurenko, G.I. Alferova, M.G. Golkovsky, K.I. Emurlaev, Y.Y. Emurlaeva, I.A. Bataev, T.S. Ogneva, A.A. Ruktuev, N.V. Stepanova, A.A. Bataev // Surface and Coatings Technology. ? 2020. ? Vol. 395. ? P. 1–14. ? DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125927.
21. Cantor B. Multicomponent high-entropy Cantor alloys // Progress in Materials Science. ? 2021. ? Vol. 120. ? P. 1–36. ? DOI: 10.1016/j.pmatsci.2020.100754.
22. Nanomechanical behavior of CoCrFeMnNi high-entropy alloy / S. Mridha, S. Das, S. Aouadi, S. Mukherjee, R.S. Mishra // JOM Journal of the Minerals Metals and Materials Society. ? 2015. ? Vol. 67, iss. 10. ? P. 2296–2302. ? DOI: 10.1007/s11837-015-1566-6.
23. Mechanical properties and stacking fault energies of NiFeCrCoMn high-entropy alloy / A.J. Zaddach, C. Niu, C.C. Koch, D.L. Irving // JOM Journal of the Minerals Metals and Materials Society. ? 2013. ? Vol. 65, iss. 12. ? P. 1780–1789. ? DOI: 10.1007/s11837-013-0771-4.
24. The corrosion behavior of ultra-fine grained CoNiFeCrMn high-entropy alloys / Z. Han, W. Ren, J. Yang, A. Tian, Y. Du, G. Liu, R. Wei, G. Zhang, Y. Chen // Journal of Alloys and Compounds. ? 2020. ? Vol. 816. ? P. 1–10. ? DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.152583.
25. Insights into the phase diagram of the CrMnFeCoNi high entropy alloy / M. Laurent-Brocq, A. Akhatova, L. Perrière, S. Chebini, X. Sauvage, E. Leroy, Y. Champion // Acta Materialia. ? 2015. ? Vol. 88. ? P. 355–365. ? DOI: 10.1016/j.actamat.2015.01.068.
26. Review of alloys developed using the entropy approach / Z. Bataeva, A. Ruktuev, I. Ivanov, A. Yurgin, I. Bataev // Metal Working and Material Science. ? 2021. ? Vol. 23, iss. 2. ? P. 116–146. ? DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.2-116-146.
27. Zaddach A.J., Scattergood R.O., Koch C.C. Tensile properties of low-stacking fault energy high-entropy alloys // Materials Science and Engineering: A. ? 2015. ? Vol. 636. ? P. 373–378. ? DOI: 10.1016/j.msea.2015.03.109.
28. Формирование улучшенных механических свойств высокоэнтропийного сплава Cantor / В.Е. Громов, Ю.А. Рубанникова, С.В. Коновалов, К.А. Осинцев , С.В. Воробьев // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. – 2021. – Т. 64 (8). – С. 599–605. – DOI: 10.17073/0368-0797-2021-8-599-605.
29. Transformation-enhanced strength and ductility in a FeCoCrNiMn dual phase high-entropy alloy / T. Zhang, R.D. Zhao, F.F. Wu, S.B. Lin, S.S. Jiang, Y.J. Huang, S.H. Chen, J. Eckert // Materials Science and Engineering: A. ? 2020. ? Vol. 780. ? P. 1–7. ? DOI: 10.1016/j.msea.2020.139182.
30. Microstructure, phase formation and physical properties of AlCoCrFeNiMn high-entropy alloy / S.A. Uporov, R.E. Ryltsev, V.A. Bykov, S.K. Estemirova, D.A. Zamyatin // Journal of Alloys and Compounds. ? 2020. ? Vol. 820. ? P. 1–8. ? DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.153228.
31. Microstructures and mechanical properties of CoCrFeMnNiV high entropy alloy films / S. Fang, C. Wang, C.L. Li, J.H. Luan, Z.B. Jiao, C.T. Liu, C.H. Hsueh // Journal of Alloys and Compounds. ? 2020. ? Vol. 820. ? P. 1–8. ? DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.153388.
32. Fabrication and mechanical properties of TiC reinforced CoCrFeMnNi high-entropy alloy composite by water atomization and spark plasma sintering / D. Yim, P. Sathiyamoorthi, S.J. Hong, H.S. Kim // Journal of Alloys and Compounds. ? 2019. ? Vol. 781. ? P. 389–396. ? DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.12.119.
33. Synergistic strengthening of FeCrNiCo high entropy alloys via micro-TiC and nano-SiC particles / L. Shen, Y. Zhao, Y. Li, H. Wu, H. Zhu, Z. Xie // Materials Today Communications. ? 2021. ? Vol. 26. ? P. 1–7. ? DOI: 10.1016/j.mtcomm.2020.101729.
34. Microstructural evolution and mechanical characterization of a WC-reinforced CoCrFeNi HEA matrix composite / S.W. Hussain, M.A. Mehmood, M.R.A. Karim, A. Godfrey, K. Yaqoob // Scientific Reports. ? 2022. ? Vol. 12, iss. 1. ? P. 9822. ? DOI: 10.1038/s41598-022-13649-5.
35. Microstructure and wear properties of TiN–Al2O3–Cr2B multiphase ceramics in-situ reinforced CoCrFeMnNi high-entropy alloy coating / B. Zhang, Y. Yu, S. Zhu, Z. Zhang, X. Tao, Z. Wang, B. Lu // Materials Chemistry and Physics. ? 2022. ? Vol. 276. ? P. 125352. ? DOI: 10.1016/j.matchemphys.2021.125352.
36. Development and characterization of boride-reinforced CoCrFeNi composites / M.A. Mehmood, M. Mujahid, A. Godfrey, M.F. Zafar, K. Yaqoob // Journal of Alloys and Compounds. ? 2023. ? Vol. 947. ? P. 169535. ? DOI: 10.1016/j.jallcom.2023.169535.
37. Strengthening CoCrFeNi high-entropy alloy by Laves and boride phases / X. Chen, G. Qin, X. Gao, R. Chen, Q. Song, H. Cui // China Foundry. ? 2022. ? Vol. 19, iss. 6. ? P. 457–463. ? DOI: 10.1007/s41230-022-1007-4.
38. Structure and oxidation behavior of CoCrFeNiX (where X is Al, Cu, or Mn) coatings obtained by electron beam cladding in air atmosphere / A.A. Ruktuev, D.V. Lazurenko, T.S. Ogneva, R.I. Kuzmin, M.G. Golkovski, I.A. Bataev // Surface and Coatings Technology. ? 2022. ? Vol. 448. ? P. 128921. ? DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128921.
Финансирование
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-79-00189, https://rscf.ru/project/22-79-00189/.
Благодарности
Микроструктурные исследования проведены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (НГТУ), испытания на износостойкость проведены в ЦКП «Механика» (ИТПМ СО РАН).
Структура и свойства композиционного покрытия на основе высокоэнтропийного сплава, упрочненного частицами CrB / А.А. Руктуев, А.Б. Юргин, В.С. Шикалов, А.В. Ухина, И.К. Чакин, Е.В. Домаров, Г.Д. Довженко // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 3. – С. 87–103. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-87-103.
Ruktuev A.A., Yurgin A.B., Shikalov V.S., Ukhina A.V., Chakin I.K., Domarov E.V., Dovzhenko G.D. Structure and properties of HEA-based coating reinforced with CrB particles. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2023, vol. 25, no. 3, pp. 87–103. DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-87-103. (In Russian).
