Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет30884610.17212/1994-6309-2025-27.3-137-150ArticlesСтатьиResearch ArticleEffect of heat treatment on the structure and properties of high-entropy alloy AlCoCrFeNiNb0.25Влияние термической обработки на строение и свойства высокоэнтропийного сплава AlCoCrFeNiNb0.25https://orcid.org/0000-0003-3040-885156433301500A-4999-20142942-3092KovalevskayaZhanna G.КовалевскаяЖанна Геннадьевна
Russian Federation

D.Sc. (Engineering), Associate Professor

доктор техн. наук, доцент

kovalevskaya@tpu.ruhttps://portal.tpu.ru/SHARED/k/KOVALEVSKAYAhttps://orcid.org/0009-0002-8501-2643LiuY.ЛюЮаньсюнь
Russian Federation

Ph.D. (Engineering) student

Аспирант

yuansyun1@tpu.ruNational Research Tomsk Polytechnic UniversityНациональный исследовательский Томский политехнический университет15092025273VOL 27, NO3 (2025)ТОМ 27, №3 (2025)13715010092025Copyright ©; 2025, Kovalevskaya Z.G., Liu Y.Copyright ©; 2025, Ковалевская Ж.Г., Лю Ю.2025Kovalevskaya Z.G., Liu Y.Ковалевская Ж.Г., Лю Ю.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/308846

Introduction. Currently, one of the most studied high-entropy alloys (HEAs) is the CoCrFeNi system with the addition of a fifth component. An example of such an alloy is AlCoCrFeNi alloyed with additional elements. Nb alloying promotes the formation of a solid solution and a secondary Laves phase in the alloy, and leads to the formation of eutectics between these phases. The optimal combination of mechanical properties achieved in the hypoeutectic alloy AlCoCrFeNiNb0.25 was the basis for the choice of this alloy for further studies under heat treatment conditions. Purpose of the work. To investigate the effect of heat treatment, including heating to temperatures of 900°C, 1,000°C and 1,100°C with subsequent cooling in air, on the structure and properties of AlCoCrFeNiNb0.25. The methods of investigation were optical metallography, X-ray diffraction analysis, microhardness measurement, and compression tests. Results and Discussion. AlCoCrFeNiNb0.25 alloy retains the solid solution structure based on the BCC phase not only in the cast state, but also after heat treatment. Irrespective of heat treatment parameters, the alloy retains the hypoeutectic structure consisting of solid solution dendrites and eutectic with the Laves phase in the interdendritic space. Heat treatment leads to changes in the phase composition of the alloy and refinement of structural components. When heated to 900°C, along with the existing solid solution and Laves phase, σ-phase is released in the structure, which increases the microhardness of the alloy, but does not provide improvement of strength properties due to its low plasticity. The strength properties of the alloy are significantly improved by heat treatment with heating up to 1,000°C and 1,100°C. Heating up to 1,100°C is accompanied by an increase in residual strain. The main reasons for this effect may be transformations occurring both in the solid solution of the BCC phase (dissolution of the B2 phase, rearrangement of the substructure, increase in the lattice parameter) and in the eutectic (increase in the proportion of the Laves phase, refinement of eutectic cells).

Введение. В настоящее время одним из наиболее изучаемых высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) является система CoCrFeNi с добавлением пятого компонента. Примером такого сплава служит AlCoCrFeNi, легированный дополнительными элементами. Легирование Nb способствует образованию в сплаве твердого раствора и вторичной фазы Лавеса, а также приводит к образованию эвтектики между этими фазами. Оптимальное сочетание механических свойств, достигаемое в сплаве доэвтектического состава AlCoCrFeNiNb0.25, стало основанием выбора данного сплава для последующих исследований в условиях термообработки. Цель работы: исследование влияния термической обработки, включающей нагрев до температур 900, 1000 и 1100 °C с последующим охлаждением на воздухе, на структуру и свойства ВЭС AlCoCrFeNiNb0.25. Методы исследования: оптическая металлография, рентгеноструктурный анализ, измерение микротвердости и испытания на сжатие. Результаты и обсуждение. Сплав AlCoCrFeNiNb0.25 сохраняет структуру твердого раствора на основе ОЦК-фазы не только в литом состоянии, но и после термообработки. Независимо от режимов термообработки в сплаве сохраняется доэвтектическая структура, состоящая из дендритов твердого раствора и эвтектики с фазой Лавеса в междендритном пространстве. Термообработка приводит к изменению фазового состава сплава и совершенствованию структурных составляющих. При нагреве до 900 °C наряду с существующими твердым раствором и фазой Лавеса в структуре выделяется σ-фаза, повышающая микротвердость сплава, однако не обеспечивающая улучшение прочностных свойств в связи со своими низкими пластическими характеристиками. Прочностные характеристики сплава существенно улучшаются при термообработке с нагревом до 1000 и 1100 °С. Нагрев до 1100 °С сопровождается увеличением остаточной деформации. Основными причинами подобного эффекта могут быть превращения, происходящие как в твердом растворе ОЦК-фазы (растворение В2-фазы, перестройка субструктуры, увеличение параметра решетки), так и в эвтектике (увеличение доли фазы Лавеса, совершенствование эвтектических ячеек).

AlCoCrFeNiNb0.25High-Entropy AlloyAlCoCrFeNiNb0.25Heat TreatmentMicrostructureMicrohardnessCompression TestsВысокоэнтропийный сплавтермическая обработкамикроструктурамикротвердостьиспытания на сжатиеNanostructured 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. – P. 299–303. – DOI: 10.1002/adem.200300567.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.Применение высокоэнтропийных сплавов / В.Е. Громов, С.В. Коновалов, Ю.Ф. Иванов, К.А. Осинцев, Ю.А. Рубанникова, О.А. Перегудов, А.П. Семин // Известия вузов. Черная металлургия. – 2021. –Т. 64, № 10. – С. 747–754. – DOI: 10.17073/0368-0797-2021-10-747-754.Обзор исследований сплавов, разработанных на основе энтропийного подхода / З.Б. Батаева, А.А. Руктуев, И.В. Иванов, А.Б. Юргин, И.А. Батаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 2. – С. 116–146. – DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.2-116-146.Mechanical behavior of high-entropy alloys / W. Li, D. Xie, D. Li, Y. Zhang, Y. Gao, P.K. Liaw // Progress in Materials Science. – 2021. – Vol. 118. – P. 100777. – DOI: 10.1016/j.pmatsci.2021.100777.Mechanical behavior of high-entropy alloys: A review / Y. Shang, J. Brechtl, C. Pistidda, P.K. Liaw // High-Entropy Materials: Theory, Experiments, and Applications. – Springer, 2021. – P. 435–522. – DOI: 10.1007/978-3-030-77641-1_10.Sheng H.F., Gong M., Peng L.M. Microstructural characterization and mechanical properties of an Al0.5CoCrFeCuNi high-entropy alloy in as-cast and heat-treated/quenched conditions // Materials Science and Engineering: A. – 2013. – Vol. 567. – P. 14–20. – DOI: 10.1016/j.msea.2013.01.006.Additive manufacturing of CoCrFeNiMo eutectic high entropy alloy: Microstructure and mechanical properties / Q. Sui, Z. Wang, J. Wang, S. Xu, B. Liu, Q. Yuan, F. Zhao, L. Gong, J. Liu // Journal of Alloys and Compounds. – 2022. – Vol. 913. – P. 165239. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.165239.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.Microstructure evolution and critical stress for twinning in the CrMnFeCoNi high-entropy alloy / G. Laplanche, A. Kostka, O.M. Horst, G. Eggeler, E.P. George // Acta Materialia. – 2016. – Vol. 118. – P. 152–163. – DOI: 10.1016/j.actamat.2016.07.038.Effects of Al addition on the microstructure and mechanical property of AlxCoCrFeNi 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.Arun S., Radhika N., Saleh B. Effect of additional alloying elements on microstructure and properties of AlCoCrFeNi high entropy alloy system: A comprehensive review // Metals and Materials International. – 2024. – P. 1–40. – DOI: 10.1007/s12540-024-01752-3.Laser surface alloying of FeCoCrAlNi high-entropy alloy on 304 stainless steel to enhance corrosion and cavitation erosion resistance / S. Zhang, C.L. Wu, C.H. Zhang, M. Guan, J.Z. Tan // Optics & Laser Technology. – 2016. – Vol. 84. – P. 23–31. – DOI: 10.1016/j.optlastec.2016.04.011.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.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.Microstructural characterisation of high-entropy alloy AlCoCrFeNi fabricated by laser engineered net shaping / I. Kunce, M. Polanski, K. Karczewski, T. Plocinski, K.J. Kurzydlowski // Journal of Alloys and Compounds. – 2015. – Vol. 648. – P. 751–758. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.05.144.Understanding phase stability of Al-Co-Cr-Fe-Ni high entropy alloys / C. Zhang, F. Zhang, H. Diao, M.C. Gao, Z. Tang, J.D. Poplawsky, P.K. Liaw // Materials & Design. – 2016. – Vol. 109. – P. 425–433. – DOI: 10.1016/j.matdes.2016.07.073.Структурно-фазовое состояние высокоэнтропийного сплава Al-Co-Cr-Fe-Ni, полученного проволочно-дуговой аддитивной технологией / К.А. Осинцев, В.Е. Громов, С.В. Коновалов, И.А. Панченко, Е.С. Ващук // Ползуновский вестник. – 2021. – № 1. – С. 141–146. – DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2021.01.020.Corrosion behavior of AlCoCrFeNix high entropy alloys / A.M. Zemanate, A.M.J. Júnior, G.F. de Lima Andreani, V. Roche, K.R. Cardoso // Electrochimica Acta. – 2023. – Vol. 441. – P. 141844. – DOI: 10.1016/j.electacta.2023.141844.Strengthening of nanoprecipitations in an annealed Al0.5CoCrFeNi high entropy alloy / S. Niu, H. Kou, T. Guo, Y. Zhang, J. Wang, J. Li // Materials Science and Engineering: A. – 2016. – Vol. 671. – P. 82–86. – DOI: 10.1016/j.msea.2016.06.040.Структурные преобразования при отжиге холоднодеформированного высокоэнтропийного сплава Al03CoCrFeNi / И.В. Иванов, К.И. Эмурлаев, К.Э. Купер, Д.Э. Сафарова, И.А. Батаев // Известия вузов. Черная металлургия. – 2022. – Т. 65, № 8. – С. 539–547. – DOI: 10.17073/0368-0797-2022-8-539-547.Strengthening by Ti, Nb, and Zr doping on microstructure, mechanical, tribological, and corrosion properties of CoCrFeNi high-entropy alloys / J.L. Zhou, Y.H. Cheng, Y.X. Wan, H. Chen, Y.F. Wang, J.Y. Yang // Journal of Alloys and Compounds. – 2024. – Vol. 984. – P. 173819. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.173819.Influence of alloying elements (Cu, Ti, Nb) on the microstructure and corrosion behaviour of AlCrFeNi-based high entropy alloys exposed to oxygen-containing molten Pb / H. Shi, R. Fetzer, A. Jianu, A. Weisenburger, A. Heinzel, F. Lang, G. Müller // Corrosion Science. – 2021. – Vol. 190. – P. 109659. – DOI: 10.1016/j.corsci.2021.109659.Effect of Nb, Ti, and V on wear resistance and electrochemical corrosion resistance of AlCoCrNiMx (M=Nb, Ti, V) high-entropy alloys / B. Pan, X. Xu, J. Yang, H. Zhan, L. Feng, Q. Long, H. Zhou // Materials Today Communications. – 2024. – Vol. 39. – P. 109314. – DOI: 10.1016/j.mtcomm.2024.109314.Температурная зависимость механических свойств и закономерностей пластического течения литых многокомпонентных сплавов Fe20Cr20Mn20Ni20Co20–хCх (х = 0, 1, 3, 5) / Е.Г. Астафурова, Е.В. Мельников, К.А. Реунова, В.А. Москвина, С.В. Астафуров, М.Ю. Панченко, А.С. Михно, И. Тумбусова // Физическая мезомеханика. – 2021. – Т. 24, № 4. – С. 52–63. – DOI: 10.24412/1683-805X-2021-4-52-63.On the difference in carbon-and nitrogen-alloying of equiatomic FeMnCrNiCo high-entropy alloy / E.G. Astafurova, K.A. Reunova, E.V. Melnikov, M.Yu. Panchenko, S.V. Astafurov, G.G. Maier, V.A. Moskvina // Materials Letters. – 2020. – Vol. 276. – P. 128183. – DOI: 10.1016/j.matlet.2020.128183.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.Effect of Nb and Ti additions on microstructure, hardness and wear properties of AlCoCrFeNi high-entropy alloy / F.C. Dalan, A.S.D.S. Sobrinho, R.K. Nishihora, S.F. Santos, G.V. Martins, K.R. Cardoso // Journal of Alloys and Compounds. – 2025. – Vol. 1010. – P. 177117. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.177117.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.Пути улучшения свойств ВЭС Cantor CoCrFeNiMn и CoCrFeNiAl / В.Е. Громов, С.В. Коновалов, М.О. Ефимов, И.А. Панченко, В.В. Шляров // Известия вузов. Черная Металлургия. – 2024. – Т. 67, № 3. – С. 283–292. – DOI: 10.17073/0368-0797-2024-3-283-292.Effect of Nb content on thermal stability, mechanical and corrosion behaviors of hypoeutectic CoCrFeNiNbχ high-entropy alloys / M. Zhang, L. Zhang, P.K. Liaw, G. Li, R. Liu // Journal of Materials Research. – 2018. – Vol. 33 (19). – P. 3276–3286. – DOI: 10.1557/jmr.2018.103.Heat treatment impacts the micro-structure and mechanical properties of AlCoCrFeNi high entropy alloy / A. Munitz, S. Salhov, S. Hayun, N. Frage // Journal of Alloys and Compounds. – 2016. – Vol. 683. – P. 221–230. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.05.034.Güler S., Alkan E.D., Alkan M. Vacuum arc melted and heat treated AlCoCrFeNiTiX based high-entropy alloys: Thermodynamic and microstructural investigations // Journal of Alloys and Compounds. – 2022. – Vol. 903. – P. 163901. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.163901.Effects of heat treatment on the precipitation behaviors and mechanical properties of Nb-doped CrMnFeCoNi0.8 high-entropy alloy / S. Huang, H. Wu, Y. Xu, H. Zhu // Materials Science and Engineering: A. – 2023. – Vol. 885. – P. 145611. – DOI: 10.1016/j.msea.2023.145611.Selective laser melting of AlCoCrFeMnNi high entropy alloy: Effect of heat treatment / Y. Fang, P. Ma, S. Wei, Z. Zhang, D. Yang, H. Yang, G.P. Konda, S. Wan, Y. Jia // Journal of Materials Research and Technology. – 2023. – Vol. 26. – P. 7845–7856. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.09.121.Effect of heat treatment on the phase composition, microstructure and mechanical properties of Al0.6CrFeCoNi and Al0.6CrFeCoNiSi0.3 high-entropy alloys / L. Chen, K. Bobzin, Z. Zhou, L. Zhao, M. Öte, T. Königstein, Z. Tan, D. He // Metals. – 2018. – Vol. 8. – P. 974. – DOI: 10.3390/met8110974.Effect of heat treatment on the microstructure and nanoindentation behavior of AlCoCrFeNi high entropy alloy / G. Shang, Z.Z. Liu, J. Fan, X.G. Lu // Intermetallics. – 2024. – Vol. 169. – P. 108302. – DOI: 10.1016/j.intermet.2024.108302.