Исследование структуры и механических свойств высокоэнтропийного покрытия системы Al – Ni – Co – Fe – Cr, сформированного микроплазменным напылением

Высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) — новый класс материалов, для которых в связи со сложностью получения однородной структуры по объему крупногабаритных изделий наиболее перспективно применение методов порошковой металлургии (напыление покрытий, аддитивное производство, свободное спекание). В работе представлены результаты исследования структуры и механических свойств ВЭС системы Al – Ni – Co – Fe – Cr с помощью метода наноиндентирования. Анализировали фазовый состав, морфологию и механические характеристики ВЭС-покрытия, сформированного микроплазменным напылением. Структурные составляющие покрытия определяли методом рентгеновской дифрактометрии. Твердость в пределах каждой структурной составляющей оценивали при нагрузке 5 мН. С использованием рентгеноструктурного анализа установлено, что в покрытии присутствуют твердые растворы на основе ОЦК- и ГЦК-решеток и интерметаллидного соединения с параметрами, близкими к соединению Al – Ni. Кроме того, выявлена дополнительная оксидная фаза с высоким содержанием Al и Cr, предположительно, по типу шпинелей AB2O4 (A = Ni/Co/Fe, B = Al/Cr). Около 61 % площади занимает структурная составляющая с нанотвердостью 10,2 ГПа и модулем Юнга 166 ГПа. Полученные результаты могут быть использованы при разработке и совершенствовании износостойких дисперсно-упрочненных микроплазменных покрытий на основе ВЭС.

1. Yeh J. W., Chen S. K., Lin S. J., et al. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principle elements: novel alloy design concepts and outcomes / Adv. Eng. Mater. 2004. Vol. 6. No. 8. P. 299 – 303. DOI: 10.1002/adem.200300567

2. Wang Y. P., Li B. S., Heng Z. F. Solid Solution or Intermetallics in a High Entropy Alloy / Adv. Eng. Mater. 2009. Vol. 11. No. 8. P. 641 – 644. DOI: 10.1002/adem.200900057

3. Owen L. R., Pickering E. J., Playford H. Y., et al. An assessment of the lattice strain in the CrMnFeCoNi high-entropy alloy / Acta Mater. 2017. Vol. 122. P. 11 – 18. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.09.032

4. Cantor B. Multicomponent high-entropy Cantor alloys / Progr. Mater. Sci. 2020. Vol. 120. Art. 100754. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2020.100754

5. Miracle D. B., Senkov O. N. A critical review of high-entropy alloys and related concepts / Acta Mater. 2017. Vol. 122. P. 448 – 511. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.08.081

6. Ranganathan S. Alloyed pleasures: multimetallic cocktails / Curr. Sci. 2003. Vol. 85. P. 1404 – 1406.

7. Yeh J. W. Alloy design strategies and future trends in high-entropy alloys / J. Metals. 2013. Vol. 65. P. 1759 – 1771. DOI: 10.1007/s11837-013-0761-6

8. Wang L. M., Chen G. G., Yeh J. W., et al. The microstructure and strengthening mechanism of thermal spray coating NixCo0.6Fe0.2CrySizAlTi0.2 high-entropy alloys / Mater. Chem. Phys. 2011. Vol. 126. No. 3. P. 880 – 885. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2010.12.022

9. Zhang H., Wu W., He Y., et al. Formation of core-shell structure in high-entropy alloy coating by laser cladding / Appl. Surf. Sci. 2015. Vol. 363. P. 543 – 547. DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.12.059

10. Gao W., Chang C., Li G., et al. Study on the laser cladding of FeCrNi coating / Optik. 2019. Vol. 178. P. 950 – 957. DOI: 10.1016/j.ijleo.2018.10.062

11. Wang Y., Kuang S., Yu X., et al. Tribo-mechanical properties of CrNbTiMoZr high-entropy alloy film synthesized by direct current magnetron sputtering / Surf. Coat. Technol. 2020. Vol. 403. Art. 126374. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126374

12. Wu H., Zhang S., Wang Z., et al. New studies on wear and corrosion behavior of laser cladding FeNiCoCrMox high-entropy alloy coating: the role of Mo / Int. J. Refr. Met. Hard Mater. 2022. Vol. 102. Art. 105721. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2021.105721

13. Ye F., Jiao Z., Yan S., et al. Microbeam plasma arc remanufacturing: effects of Al on microstructure, wear resistance, corrosion resistance and high temperature oxidation resistance of AlxCoCrFeMnNi high-entropy alloy cladding layer / Vacuum. 2020. Vol. 174. Art. 109178. DOI: 10.1016/j.vacuum.2020.109178

14. Zhang G., Liu H., Tian X., et al. Microstructure and properties of AlCoCrFeNiSi high-entropy alloy coating on AISI304 stainless steel by laser cladding / Journal of Materials Engineering and Performance. 2020. Vol. 29. No. 5. P. 1 – 11. DOI: 10.1007/s11665-020-04586-3

15. Gromov V. E., Konovalov S. V., Peregudov O. A., et al. Coatings from high-entropy alloys: state of the problem and development prospects / Izv. Vuzov. Cher. Met. 2022. No. 65(10). P. 683 – 692 [in Russian]. DOI: 10.17073/0368-0797-2022-10-683-692

16. Korchuganov A., Kryzhevich D., Zolnikov K. Fracture of Fe95Ni5 alloys with gradient-grained structure under uniaxial tension / Metals. 2023. Vol. 13. No. 7. Art. 1308. DOI: 10.3390/met13071308

17. Pramanik S., Kar K. Coating technologies for metal matrix composites / Encycl. Mater.: Composites. 2021. Vol. 1. No. 1. P. 454 – 473. DOI: 10.1016/b978-0-12-803581-8.11810-7

18. Nakonechnyi S., Soloviova T., Yurkova A., et al. Cold sprayed AlNiCoFeCr – TiB2 metal matrix composite coatings / Vacuum. 2023. Vol. 213. Art. 112144. DOI: 10.1016/j.vacuum.2023.112144

19. Hache M. J. R., Changjun Cheng, Yu Zou. Nanostructured high-entropy materials / J. Mater. Res. 2020. Vol. 35. No. 8. P. 1 – 25. DOI: 10.1557/jmr.2020.33

20. Ardeshir M., Yousefpour M., Nourbakhsh M., et al. Microstructure and corrosion resistance of high entropy alloy (AlNiCoCrFe) coatings prepared by TIG process / Heliyon. 2024. Vol. 10. No. 24. Art. 41062. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e41062

21. Kanaev A. T., Ramazanova Z. M., Biizhanov S. K. Study of plasma-hardened wheel steel using nanoindentation / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2020. Vol. 86. No. 4. P. 56 – 60 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2017-83-11-58-61

22. Matyunin V. M., Marchenkov A. Y., Stasenko N. A. Determination of the specific energy of elastoplastic strain required for crack formation in hardening coatings upon indentation / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2017. Vol. 83. No. 11. P. 58 – 61 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-4-56-60

23. Li C., Li J., Zhao M., et al. Effect of aluminum contents on microstructure and properties of AlxCoCrFeNi alloys / J. Alloys Compounds. 2010. Vol. 504. P. 515 – 518. DOI: 10.1016/j.jallcom.2010.03.111

24. Meghwal A., Anupam A., Luzin B., et al. Multiscale mechanical performance and corrosion behaviour of plasma sprayed AlCoCrFeNi high-entropy alloy coatings / J. Alloys Compounds. 2021. Vol. 854. Art. 157140. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157140