Исследование среднеэнтропийных сплавов, полученных методом электродуговой наплавки порошковыми проволоками

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В современных условиях интенсивного развития технологий и постоянно растущих требований к материалам в промышленности существует насущная потребность в разработке принципиально новых металлических сплавов с особыми эксплуатационными свойствами. Классические материалы, включая различные марки сталей, алюминиевые и титановые сплавы, во многих случаях уже не соответствуют современным стандартам по таким ключевым параметрам, как прочность, износостойкость, коррозионная и термическая стабильность. В этом контексте особую значимость приобретают многокомпонентныесплавы с повышенной энтропийной составляющей, содержащие пять и более основных элементов в близких атомных соотношениях. Благодаря уникальному эффекту высокой конфигурационной энтропии данные материалы обладают рядом выдающихся физико-химических характеристик: повышенной механической прочностью, исключительной устойчивостью к окислению при высоких температурах, а также превосходной износостойкостью. Однако существенные технологические сложности при получении высокоэнтропийных сплавов в сочетании с высокой стоимостью исходных компонентов, необходимых для создания эквиатомных композиций, обусловили повышенный научный интерес к изучению сплавов со средним уровнем энтропии (СЭС), которые представляют собой более доступную альтернативу. В данной работе рассматривается разработка и исследование многокомпонентного сплава системы Cr-Ni-Co-Fe-Mo, полученного методом электродуговой наплавки с использованием специализированной порошковой проволоки. Основное внимание уделено изучению микроструктурных особенностей, распределению микротвердости и определению неметаллических включений в наплавленном слое. Выбор данной системы элементов обусловлен их взаимодополняющими свойствами: хром (Cr) обеспечивает повышенную коррозионную стойкость, никель (Ni) улучшает пластичность и термостойкость, кобальт (Co) увеличивает жаропрочность, железо (Fe) служит основой сплава, а молибден (Mo) способствует упрочнению при высоких температурах. Комбинация этих элементов позволяет получить материал с уникальным балансом характеристик, что делает его перспективным для применения в авиакосмической отрасли, энергетике, нефтегазовой промышленности и других высокотехнологичных сферах. В ходе исследования были проведены комплексные испытания, включающие металлографический анализ и измерения микротвердости методом Виккерса. Особое внимание уделено выявлению и классификации неметаллических включений, поскольку их присутствие может существенно влиять на эксплуатационные свойства материала. Полученные результаты позволяют сделать выводы о перспективности дальнейшего изучения и оптимизации данного класса сплавов для промышленного внедрения.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

К. А. Худаев

Сибирский государственный индустриальный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: xudaev99@bk.ru
Россия, Новокузнецк

Р. Е. Крюков

Сибирский государственный индустриальный университет

Email: xudaev99@bk.ru
Россия, Новокузнецк

А. Р. Михно

Сибирский государственный индустриальный университет

Email: xudaev99@bk.ru
Россия, Новокузнецк

С. С. Перов

Сибирский государственный индустриальный университет

Email: xudaev99@bk.ru
Россия, Новокузнецк

Список литературы

  1. Мацинов С.А., Калиниченко В.А., Андрушевич А.А. Перспективы применения покрытий для улучшения поверхностных свойств литых композиционных материалов // Литье и металлургия. 2024. № 2. С. 63–71.
  2. Дресвянников А.Ф., Колпаков М.Е., Ермолаева Е.А. Физикохимия высокоэнтропийных сплавов: теория и практические приложения // Вестник технологического университета. 2023. № 10. С. 5–19.
  3. Cantor B., Chang I.T.H., Knight P., Vincent A.J.B. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys // Materials Science and Engineering: A. 2004. 375-377. P. 213–218.
  4. Yeh Jien-Wei, Lin Su-Jien, Chin Tsung-Shune, Gan JonYiew, Chen Swe-Kai, Shun Tao-Tsung, Tsau Chung Huei, Chou Shou-Yi. Formation of simple crystal structures in Cu–Co–Ni–Cr–Al–Fe–Ti–V alloys with multiprincipal metallic elements // Metallurgical and Materials Transactions A. 2004. 35. P. 2533–2536.
  5. Zhang Yong, Zuo Ting Ting, Tang Zhi, Gao M.C., Dahmen K.A., Liaw P.K., Lu Zhao Ping. Microstructures and properties of high-entropy alloys // Progress in Materials Science. 2014. 61. P. 1–93.
  6. Butler T.M., Weaver M.L. Influence of annealing on the microstructures and oxidation behaviors of Al8(CoCrFeNi)92, Al15(CoCrFeNi)85, and Al30(CoCrFeNi)70 high-entropy alloys // Metals. 2016. 6. № 9. 222.
  7. Daoud H.M., Manzoni A.M., Völkl R., Wanderka N., Glatzel U. Oxidation behavior of Al8Co17Cr17Cu8Fe17Ni33, Al23Co15Cr23Cu8Fe15Ni15, and Al17Co17Cr17Cu17Fe17Ni17 compositionally complex alloys (high-entropy alloys) at elevated temperatures in air // Advanced Engineering Materials. 2015. 17. № 8. P. 1134–1141.
  8. Батаева З.Б., Руктуев А.А., Иванов И.В. и др. Обзор исследований сплавов, разработанных на основе энтропийного подхода // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2021. 23, № 2. С. 116–146.
  9. Степченков А.К., Макаров А.В., Волкова Е.Г. и др. Влияние добавок карбида и борида вольфрама на структуру и микротвердость эквиатомного CrFeNi-покрытия, сформированного короткоимпульсной лазерной наплавкой // Frontier Materials & Technologies. 2024. № 1. С. 83–94.
  10. Степанюк Н.А. Влияние облучения ионами гелия на фазовый состав и микроструктуру поверхности высокоэнтропийного сплава CoCrFeMnNi / В сборнике: 78-я научная конференция студентов и аспирантов Белорусского государственного университета. Материалы конференции. В 3-х частях. Минск. 2021. С. 149–152.
  11. Arif Z.U., Khalid M.Y., Rashid A.A., Rehman E.U., Atif M. Laser deposition of high-entropy alloys: A comprehensive review // Optics & Laser Technology. 2022. 145. 107447.
  12. Хрущов М.М. Износостойкость и структура твердых наплавок. М.: Машиностроение. 1971.
  13. Сидоров А.И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой. М.: Машиностроение. 1987.
  14. C. Wang, K.F. Lin, Y.L. Zhao, T. Yang, T.L. Zhang, W.H. Liu, C.H. Hsueh, H.C. Lin, J.J. Kai, C.T. Liu. Martensitic transformation and mechanical behavior of a medium-entropy alloy // Materials Science and Engineering A. 2020. 786. 139371.
  15. C.Zhao, W.Xiaoli, W.Weili, L.Xin, Y.Haiou, J.Ze, C.Lianyang, W.Haibin, L.Wenhui, L.Nan. Engineering fine grains, dislocations and precipitates for enhancing the strength of TiB2-modified CoCrFeMnNi high-entropy alloy using Laser Powder Bed Fusion // Journal of Materials Research and Technology. 2023. 26. P. 1198–1213.
  16. He Junyang, Makineni S.K., Lu Wenjun, Shang Yuanyuan, Lu Zhaoping, Li Zhiming, Gault B. On the formation of hierarchical microstructure in a Mo-doped NiCoCr medium-entropy alloy with enhanced strength-ductility synergy // Scripta Materialia. 2020. 175. P. 1–6.
  17. Ren Mengfei, Li Ruifen, Zhang Xiaoqiang, Gu Jiayang, Jiao Chen. Effect of WC particles preparation method on microstructure and properties of laser cladded Ni60-WC coatings // Journal of Materials Research and Technology. 2023. 22. P. 605–616.
  18. Dash T., Nayak B.B. Preparation of multi-phase composite of tungsten carbide, tungsten boride and carbon by arc plasma melting: characterization of melt-cast product // Ceramics International. 2016. 42. № 1-A. P. 445–459.
  19. Гусева Т.П., Громов В.Е., Гостевская А.Н. и др. Структура и свойства наплавки новой быстрорежущей стали Р2М9 // Актуальные проблемы прочности: Материалы LXVIII международной научной конференции. Витебск, 27–31 мая 2024 года. Минск: ИВЦ Минфина. 2024. С. 5.
  20. Ерофеев В.К., Воробьева Г.А. Исследование влияния аэротермоакустической обработки на структуру инструментальных быстрорежущих сталей и сплавов // Металлообработка. 2009. № 6 (54). С. 34–40.
  21. Чапайкин А.С., Громов В.Е., Черепанова Г.И., Миненко С.С. Исследование свойств и структуры наплавки быстрорежущей стали после высокотемпературного отпуска и ЭПО // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Новокузнецк, 15–16 мая 2024 года. Новокузнецк: Сибирский государственный индустриальный университет. 2024. С. 24–27.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Оборудование для производства порошковой проволоки.

Скачать (84KB)
3. Рис. 2. Схема процесса наплавки.

Скачать (146KB)
4. Рис. 3. Внешний вид наплавочных слоев: а – 1-й слой; б – дополнительный источник легирующих элементов; в – 4-й слой; г – образец с зачищенной площадкой.

Скачать (250KB)
5. Рис. 4. Неметаллические включения в отшлифованном образце (увеличение ×100).

Скачать (114KB)
6. Рис. 5. Микроструктура протравленного образца (увеличение ×100).

Скачать (216KB)
7. Рис. 6. Микроструктура протравленного образца (увеличение ×400).

Скачать (180KB)
8. Рис. 7. Распределение микротвердости.

Скачать (117KB)

© Российская академия наук, 2025