Структура и свойства композиционного покрытия на основе высокоэнтропийного сплава, упрочненного частицами CrB

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

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.

Об авторах

А. А. Руктуев

Email: ruktuev@corp.nstu.ru
канд. техн. наук, Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия, ruktuev@corp.nstu.ru

А. Б. Юргин

Email: yurgin2012@yandex.ru
Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия, yurgin2012@yandex.ru

В. С. Шикалов

Email: v.shikalov@gmail.com
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, ул. Институтская, 4/1, г. Новосибирск, 630090, Россия, v.shikalov@gmail.com

А. В. Ухина

Email: auhina181@gmail.com
канд. хим. наук, Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, ул. Кутателадзе, 18, г. Новосибирск, 630090, Россия, auhina181@gmail.com

И. К. Чакин

Email: chak_in2003@bk.ru
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, пр. Академика Лаврентьева, 11, г. Новосибирск, 630090, Россия, chak_in2003@bk.ru

Е. В. Домаров

Email: domarov88@mail.ru
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, пр. Академика Лаврентьева, 11, г. Новосибирск, 630090, Россия, domarov88@mail.ru

Г. Д. Довженко

Email: g.d.dovjenko@srf-skif.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Центр коллективного пользования «СКИФ», Институт катализа им Г.И. Борескова СО РАН, Никольский пр., 1, Кольцово, 630559, Россия, g.d.dovjenko@srf-skif.ru

Список литературы

  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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».