ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Для создания высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) часто применяют механическое легирование (МА) в сочетании с искровым плазменным спеканием (SPS). Комбинация процесса МA с SPS позволяет эффективно подавлять рост зерен, максимально сохраняя исходную структуру, полученную после механической активации. Это дает возможность получать ВЭС с уникальными свойствами. В настоящем исследовании методом МA в течение 40 часов с последующим SPS при температуре 1000 °C получены ВЭС-системы AlFeCoCrNiNb_x (где x – молярная доля, x = 0; 0,25; 0,5; 0,75). Целью работы является исследование влияния содержания Nb на микроструктуру и свойства высокоэнтропийного сплава AlFeCoCrNiNb_х, полученного с помощью комбинированного метода МА и SPS. Методы исследований. Как для порошков, так и для спеченных образцов проводились рентгеноструктурный анализ (РСА), энергодисперсионная рентгеновская спектрометрия (ЭДС) и сканирующая электронная микроскопия (СЭМ). Оценивались микротвердость и механические свойства на сжатие с анализом изломов. Результаты и обсуждение. В процессе МА в порошке всех сплавов системы AlFeCoCrNiNb_х был получен общий твердый раствор с ОЦК-решеткой и наноразмерной субструктурой. Легирование сплава значительной долей ниобия привело к образованию небольшого количества упрочняющей фазы Лавеса. Последующее SPS способствовало фазовому превращению с формированием примерно в равных объемных долях ОЦК-твердого раствора, обогащенного Al и Ni, и ГЦК-твердого раствора, обогащенного Fe и Cr. Нагрев способствовал выделению фазы Лавеса в виде вторичных зерен внутри зерен ОЦК-твердого раствора. С возрастанием в сплаве доли Nb увеличивалась доля фазы Лавеса. Оценка механических свойств показала, что самая высокая пластичность характерна для сплава AlFeCoCrNi, прочность – для сплава AlFeCoCrNiNb_0,25, твердость – для сплава AlFeCoCrNiNb_0,75, что обусловлено особенностями строения и долей фазы Лавеса в составе сплава.

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, S.Y. Chang // Advanced Engineering Materials. – 2004. – Vol. 6 (5). – P. 299–303. – DOI: 10.1002/adem.200300567.

2. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys / B. Cantor, I.T. Chang, P. Knight, A.J.B. Vincent // Materials Science and Engineering: A. – 2004. – Vol. 375. – P. 213–218. – DOI: 10.1016/j.msea.2003.10.257.

3. 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.

4. Пути улучшения свойств ВЭС Cantor CoCrFeNiMn и CoCrFeNiAl / В.Е. Громов, С.В. Коновалов, М.О. Ефимов, И.А. Панченко, В.В. Шляров // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. – 2024. – Т. 67, № 3. – С. 283–292. – DOI: 10.17073/0368-0797-2024-3-283-292.

5. Шуберт А.В., Коновалов С.В., Панченко И.А. Обзор исследований высокоэнтропийных сплавов, их свойств, методов создания и применения // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 4. – С. 153–179. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-153-179.

6. Effects of Al addition on the microstructure and mechanical property of Al_xCoCrFeNi high-entropy alloys / W.R. Wang, W.L. Wang, S.C. Wang, Y.C. Tsai, C.H. Lai, J.W. Yeh // Intermetallics. – 2012. – Vol. 26. – P. 44–51. – DOI: 10.1016/j.intermet.2012.03.005.

7. Microstructure and wear behavior of Al_xCo_1.5CrFeNi_1.5Ti_y high-entropy alloys / M.H. Chuang, M.H. Tsai, W.R. Wang, S.J. Lin, J.W. Yeh // Acta Materialia. – 2011. – Vol. 59 (16). – P. 6308–6317. – DOI: 10.1016/j.actamat.2011.06.041.

8. Theoretical study on structural stability and elastic properties of Fe₂₅Cr₂₅Ni₂₅Ti_xAl_(25–x) multi-principal element alloys / L. Liu, R. Paudel, Y. Liu, J.C. Zhu // Materials. – 2021. – Vol. 14 (4). – P. 1040. – DOI: 10.3390/ma14041040.

9. Effect of Cr-doping on the structural and magnetic properties of mechanically alloyed FeCoNiAlMn_1-xCr_x high-entropy alloy powder / D.N. Siddiqui, N. Mehboob, A. Zaman, A.M. Alsuhaibani, A. Algahtani, V. Tirth, M.A. Amin // ACS Omega. – 2023. – Vol. 8 (22). – P. 19892–19899. – DOI: 10.1021/acsomega.3c01823.

10. Microstructure and compressive properties of AlCrFeCoNi high entropy alloy / Y.P. Wang, B.S. Li, M.X. Ren, C. Yang, H.Z. Fu // Materials Science and Engineering: A. – 2008. – Vol. 491 (1–2). – P. 154–158. – DOI: 10.1016/j.msea.2008.01.064.

11. Phase separation in equiatomic AlCoCrFeNi high-entropy alloy / A. Manzoni, H. Daoud, R. Völkl, U. Glatzel, N. Wanderka // Ultramicroscopy. – 2013. – Vol. 132. – P. 212–215. – DOI: 10.1016/j.ultramic.2012.12.015.

12. Tokarewicz M., Gradzka-Dahlke M. Review of recent research on AlCoCrFeNi high-entropy alloy // Metals. – 2021. – Vol. 11 (8). – P. 1302. – DOI: 10.3390/met11081302.

13. Solid solution alloys of AlCoCrFeNiTi_x with excellent room-temperature mechanical properties / Y.J. Zhou, Y. Zhang, Y.L. Wang, G.L. Chen // Applied Physics Letters. – 2007. – Vol. 90 (18). – DOI: 10.1063/1.2734517.

14. Effect of Zr content on microstructure and mechanical properties of AlCoCrFeNi high entropy alloy / J. Chen, P. Niu, Y. Liu, Y. Lu, X. Wang, Y. Peng, J. Liu // Materials & Design. – 2016. – Vol. 94. – P. 39–44. – DOI: 10.1016/j.matdes.2016.01.033.

15. Effect of vanadium addition on the microstructure and properties of AlCoCrFeNi high entropy alloy / Y. Dong, K. Zhou, Y. Lu, X. Gao, T. Wang, T. Li // Materials & Design. – 2014. – Vol. 57. – P. 67–72. – DOI: 10.1016/j.matdes.2013.12.048.

16. Effect of niobium alloying on the microstructure, phase stability and mechanical properties of CoCrFeNi_2.1Nb_x high entropy alloys: Experimentation and thermodynamic modeling / U. Sunkari, S.R. Reddy, K.S. Athira, S. Chatterjee, P.P. Bhattacharjee // Materials Science and Engineering: A. – 2020. – Vol. 793. – P. 139897. – DOI: 10.1016/j.msea.2020.139897.

17. Ma S.G., Zhang Y. Effect of Nb addition on the microstructure and properties of AlCoCrFeNi high-entropy alloy // Materials Science and Engineering: A. – 2012. – Vol. 532. – P. 480–486. – DOI: 10.1016/j.msea.2011.10.110.

18. Ковалевская Ж.Г., Лю Ю. Влияние термической обработки на строение и свойства высокоэнтропийного сплава AlCoCrFeNiNb_0.25 // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 3. – С. 137–150. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.3-137-150.

19. Slobodyan M., Pesterev E., Markov A. Recent advances and outstanding challenges for implementation of high entropy alloys as structural materials // Materials Today Communications. – 2023. – Vol. 36. – P. 106422. – DOI: 10.1016/j.mtcomm.2023.106422.

20. Suryanarayana C. Mechanical alloying and milling // Progress in Materials Science. – 2001. – Vol. 46 (1–2). – P. 1–184. – DOI: 10.1016/S0079-6425(99)00010-9.

21. Vaidya M., Muralikrishna G.M., Murty B.S. High-entropy alloys by mechanical alloying: A review // Journal of Materials Research. – 2019. – Vol. 34 (5). – P. 664–686. – DOI: 10.1557/jmr.2019.37.

22. Phase and microstructure formation during reactive spark plasma sintering of Al_xCoCrFeNi (x=0.3 and 1) high entropy alloys / A. Saviot, P. Sallamand, J.P. Monchoux, C. Marcelot, R. Cours, N. Geoffroy, J.M. Jouvard, S. Le Gallet // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 32. – P. 3047–3059. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.08.096.

23. Mechanical alloying synthesis and spark plasma sintering consolidation of CoCrFeNiAl high-entropy alloy / W. Ji, Z. Fu, W. Wang, H. Wang, J. Zhang, Y. Wang, F. Zhang // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 589. – P. 61–66. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.11.146.

24. Phase, microstructure and mechanical properties evaluation of AlCoCrFeNi high-entropy alloy during mechanical ball milling / X. Liu, Y. Gao, X. Peng, N. Hu, M. Chen // Intermetallics. – 2021. – Vol. 138. – P. 107310. – DOI: 10.1016/j.intermet.2021.107310.

25. Evolution of phases, hardness and magnetic properties of AlCoCrFeNi high entropy alloy processed by mechanical alloying / V. Shivam, Y. Shadangi, J. Basu, N.K. Mukhopadhyay // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – Vol. 832. – P. 154826. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.154826.

26. Liu G., Lu Z., Zhang X. Nano-structure evolution and mechanical properties of Al_xCoCrFeNi_2.1 (x = 0, 0.3, 0.7, 1.0, 1.3) high-entropy alloy prepared by mechanical alloying and spark plasma sintering // Nanomaterials. – 2024. – Vol. 14 (7). – P. 641. – DOI: 10.3390/nano14070641.

27. Effect of Nb content on the properties of Al_0.1CoCrFeNi high-entropy alloy / M. Zhao, L. Huang, K. Zhang, K. Xiong, D. Guo, W. Feng // Journal of Materials Research and Technology. – 2025. – Vol. 37. – P. 5578–5592. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2025.07.146.

28. Микроплазменное напыление функциональных покрытий из механически синтезированных композиционных порошков эквиатомной системы AlNiCoFeCr / Е.Д. Нестерова, Т.И. Бобкова, М.Е. Гошкодеря, А.А. Каширина, Н.В. Яковлева // Вопросы материаловедения. – 2025. – № 1 (121). – С. 24–39. – DOI: 10.22349/1994-6716-2025-121-1-24-39.

29. Microstructure and mechanical properties of Al–Co–Cr–Fe–Ni base high entropy alloys obtained using powder metallurgy / L. Rogal, Z. Szklarz, P. Bobrowski, D. Kalita, G. Garzel, A. Tarasek, M. Szlezynger // Metals and Materials International. – 2019. – Vol. 25 (4). – P. 930–945. – DOI: 10.1007/s12540-018-00236-5.

30. Powder metallurgical processing of equiatomic AlCoCrFeNi high entropy alloy: microstructure and mechanical properties / S. Mohanty, T.N. Maity, S. Mukhopadhyay, S. Sarkar, N.P. Gurao, S. Bhowmick, K. Biswas // Materials Science and Engineering: A. – 2017. – Vol. 679. – P. 299–313. – DOI: 10.1016/j.msea.2016.09.062.

31. Microstructure, wear performance, and mechanical properties of spark plasma-sintered AlCoCrFeNi high-entropy alloy after heat treatment / A. Faraji, M. Farvizi, T. Ebadzadeh, H.S. Kim // Intermetallics. – 2022. – Vol. 149. – P. 107656. – DOI: 10.1016/j.intermet.2022.107656.

32. The role of the preparation route on microstructure and mechanical properties of AlCoCrFeNi high entropy alloy / P. Kratochvíl, F. Pruša, H. Thürlová, A. Strakošová, M. Karlík, J. Cech, M. Cabibbo // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 30. – P. 4248–4260. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.04.090.

33. Effect of powder state on spark plasma sintering of TiAl alloys / J. Guyon, A. Hazotte, J.P. Monchoux, E. Bouzy // Intermetallics. – 2013. – Vol. 34. – P. 94–100. – DOI: 10.1016/j.intermet.2012.11.005.

34. Synthesis and characterization of AlCoCrFeNiNb_x high-entropy alloy coatings by laser cladding / H. Jiang, K. Han, D. Li, Z. Cao // Crystals. – 2019. – Vol. 9 (1). – P. 56. – DOI: 10.3390/cryst9010056.

35. Effect of Nb on laves phase formation and wear resistance in laser-cladding CrFeNi medium-entropy alloy coatings / Z. Chen, F. Luo, H. Jin, Z. Peng, W. Shi, J. Huang // Coatings. – 2025. – Vol. 15 (6). – P. 667. – DOI: 10.3390/coatings15060667.

36. Wear resistance and high-temperature compression strength of Fcc CuCoNiCrAl_0.5Fe alloy with boron addition / C.Y. Hsu, J.W. Yeh, S.K. Chen, T.T. Shun // Metallurgical and Materials Transactions: A. – 2004. – Vol. 35 (5). – P. 1465–1469. – DOI: 10.1007/s11661-004-0254-x.

37. Tribological properties of AlCoCrFeNi high entropy alloy at elevated temperature / A. Zhang, J. Han, B. Su, J. Meng // Mocaxue Xuebao / Tribology. – 2017. – Vol. 37 (6). – P. 776–783. – DOI: 10.16078/j.tribology.2017.06.008.