Дослідження структури та механічних властивостей багатокомпонентних сплавів Cu-Fe-Mn-Ni із додаванням Al та Si у литому та швидкозагартованому

Abstract

UK: Мета. Дану роботу присвячено встановленню впливу складу та швидкості охолодження розплаву на мікротвердість, фазовий склад та параметри тонкої структури багатокомпонентних високоентропійних сплавів (ВЕС) системи Cu-Fe-Mn-Ni із домішками Al и Si в литому та рідкозагартованому стані. Методика. Литі зразки сплавів були отримані за допомогою печі Таммана із застосуванням мідної виливниці (швидкість охолодження ~102 К/с). Гартування з рідкого стану (ЗРС) проводилося за відомою методикою splat-охолодження. Оцінена за товщиною фольги швидкість охолодження розплаву становила ~106 К/с. Рентгеноструктурний аналіз проводився із використанням діфрактометра ДРОН2.0. Мікротвердість вимірювалася за допомогою мікротвердоміра ПМТ-3. Підбір компонентів досліджених ВЕС здійснювався, виходячи з прийнятих у літературі критеріїв компоновки та оцінки фазового складу ВЕС, основаних на обчисленні ентропії та ентальпії змішування, концентрацій валентних електронів а також різниці атомних радіусів компонентів. Результати. Встановлено, що сплави, загартовані з рідини мають однофазну структуру, в якій наявні прості тверді розчини із гранецентрованою кубічною (ГЦК) решіткою. Литі сплави також являють собою прості тверді розчини типу ГЦК, за виключенням сплаву CuFeMnNiSi0.5, у якому наявні також інтерметалічні фази. Значення параметрів решітки вказують на те, що в якості основи для формування твердих розчинів слід розглядати решітку γ-Fe, як елемента з найбільшою температурою плавлення. Показано, що збільшення рівня мікронапружень та густини дислокацій сприяють підвищенню механічних характеристик досліджених сплавів. Отримані результати також вказують на чітку залежність між величиною мікротвердості та вмістом Al та Si. Таким чином, підвищення міцності відбувається завдяки значному викривленню кристалічної решітки внаслідок відмінності атомних радіусів елементів. Наукова новизна. У даній роботі були вперше отримані і досліджені ВЕС системи Al-Cu-Fe-Mn-Ni-Si у литому і рідкозагартованому стані. Ці сплави не містять Co та Cr, які зазвичай використовуються у ВЕС і разом із покращенням експлуатаційних характеристик зазвичай значно збільшують їх вартість. Практична значимість. ВЕС характеризуються унікальною структурою та цілим комплексом виняткових експлуатаційних характеристик, таких как твердість, зносостійкість, стійкість до окислення, корозії та іонизуючих випромінювань, висока термічна стабільність та біологічна сумісність.

RU: Цель. Настоящая работа посвящена установлению влияния состава и скорости охлаждения расплава на микротвердость, фазовый состав и параметры тонкой структуры многокомпонентных высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) системы Cu-Fe-Mn-Ni с добавками Al и Si в литом и жидкозакаленном состояниях. Методика. Литые образцы сплавов были получены при помощи печи Таммана с использованием медной изложницы (скорость охлаждения ~102 К/с). Закалка из жидкого состояния (ЗЖС) проводилась по известной методике splat-охлаждения. Оцененная по толщине фольги скорость охлаждения расплава составляла ~106К/с. Рентгеноструктурный анализ проводился с использованием дифрактометра ДРОН-2.0. Микротвердость измерялась на микротвердомере ПМТ-3. Подбор компонентов исследованных ВЭС осуществлялся, исходя из принятых в литературе критериев компоновки и оценки фазового состава ВЭС, основанных на вычислении энтропии и энтальпии смешивания, концентраций валентных электронов а так же разницы атомных радиусов компонентов. Результаты. Установлено, что жидкозакаленные сплавы имеют однофазную структуру, в которой присутствуют простые твердые растворы с с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой Литые сплавы также представляют собой простые твердые растворы типа ГЦК, за исключением сплава CuFeMnNiSi0.5, в котором присутствуют также интерметаллические фазы. Значения параметров кристаллической решетки указывают на то, что основой для формирования указанных твердых растворов является решетка γ-Fe, как элемента с наибольшей температурой плавления. Показано, что повышение уровня микронапряжений и плотности дислокаций способствуют повышению механических характеристик исследованных сплавов. Полученные результаты также показывают четкую зависимость между величиной микротвердости и содержанием Al и Si. Таким образом, повышенные прочностные характеристики обусловлены сильным искажением кристаллической решетки вследствие различий в атомных радиусах элементов. Научная новизна. В данной работе были впервые получены и исследованы ВЭС системы Al-Cu-Fe-Mn-Ni-Si в литом и жидкозакаленном состоянии. Эти сплавы не содержат Co и Cr, которые обычно используются в ВЭС и вместе с улучшением эксплуатационных характеристик обычно значительно увеличивают их стоимость. Практическая значимость. ВЭС характеризуются уникальной структурой и целым комплексом замечательных эксплуатационных характеристик, таких как твердость, износостойкость, устойчивость к окислению, коррозии и ионизирующим излучениям, высокая термическая стабильность и биологическая совместимость.

EN: Purpose. This work is dedicated to establishing the effects of the composition and the melt cooling rate on microhardness, phase composition and parameters of the fine structure of multicomponent high-entropy alloys (HEA) of Cu-Fe-MnNi system with Al and Si additions in the as-cast and splat-quenched state. Methodology. As-cast alloy samples were obtained by a laboratory Tamman furnace using a copper mold (cooling rate ~ 102 K/s). Quenching from a liquid state was carried out by a known technique of splat-quenching (SQ). Cooling rate estimated by foil thickness was ~ 106 K/s. The X-ray diffraction analysis was carried out with the use of the DRON-2.0 diffractometer. Microhardness was measured on the PMT-3 microhardnessmeter. Selection of components of the studied HEAs was carried out on the basis of the criteria adopted in the literature for the HEA composition based on a calculation of the entropy and enthalpy of mixing, valence electron concentrations as well as the difference between the atomic radii of the components. Findings. Simple solid solutions with a face-centered cubic structure are obtained in all of the splatquenched alloys. The as-cast alloys also have a simple face-centered cubic structure, with the exception of CuFeMnNiSi0.5, in which the intermetallic phases are found. The values of lattice parameters of the investigated alloys indicate that solid solutions are formed on the base of the γ-Fe lattice, taking into account its higher melting temperature. The positive influence of microstrains level and dislocation density on the microhardness values of alloys are established. The obtained results clearly indicate also a strong dependence between the measured microhardness and content of Si and Al, thus improved mechanical characteristics are obviously ensured by the strong distortion of the crystal lattice due to the differences in atomic radii of elements. Originality. At present work were first obtained and studied HEAs of Al-Cu-Fe-Mn-Ni-Si system in the as-cast and splat-quenched state. These compositions are free of Co and Cr, which are usually used in HEA and favor an increase in their operating characteristics but substantially increase the alloy cost. Practical value. The HEAs possess many attractive properties, such as high hardness, outstanding wear resistance, irradiation resistance, excellent high-temperature strength, good thermal stability, biocompatibility and corrosion resistance.