ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫЙ СПЛАВ Al_0.5CoCuCrNiFe:

АКУСТИЧЕСКАЯ РЕЛАКСАЦИЯ В ОБЛАСТИ ТЕМПЕРАТУР 4.2-320 К

Ю.А. Семеренко¹, Е.Д. Табачникова¹, М.А. Лактионова¹,

М.А. Тихоновский², А.С. Тортика²

¹ФТИНТ им. Б.И. Веркина НАНУ, г. Харьков, e-mail: semerenko@ilt.kharkov.ua

²ННЦ ХФТИ НАНУ, г. Харьков, e-mail: tikhonovsky@kipt.kharkov.ua

Новым перспективным направлением создания высокопрочных, термически стабильных металлических материалов является разработка многокомпонентных высокоэнтропийных сплавов [1-3]. Традиционные многокомпонентные сплавы многофазные и, как следствие, термодинамически неустойчивые. Для достижения термодинамической устойчивости необходимо получить однофазный твердый раствор замещения всех компонент сплава (одна кристаллическая решетка). Многокомпонентный сплав в состоянии однофазного твердого раствора замещения по своей природе является одновременно более высокопрочным и термодинамически устойчивым по сравнению с многофазным. Достигается это подбором такого количества компонентов и соотношения их концентрации в сплаве, при которых в расчетном составе создается повышенное значение энтропии смешения (а значит, в соответствии с соотношением Гиббса — пониженная свободная энергия сплава). Пониженная свободная энергия сплава обусловливает термическую устойчивость твердого раствора, а повышенные прочностные характеристики обеспечиваются благодаря твердорастворному упрочнению - сильному искажению кристаллической решетки из-за различия атомных радиусов элементов замещения [4].

В настоящей работе методом механической резонансной спектроскопии в области температур 4.2÷320К впервые изучены температурные зависимости акустического поглощения и модуля Юнга литого многокомпонентного высокоэнтропийного сплава Al_0.5CoCuCrNiFe.

Исходные образцы сплава размером 6х8х30 мм³ получали сплавлением компонентов (чистота не хуже 99,9%) в дуговой печи в атмосфере очищенного аргона с использование нерасходуемого вольфрамового электрода. С целью обеспечения однородности распределения компонентов сплав переплавлялся не менее 5 раз с переворачиванием слитков. По данным весового контроля потери компонентов при сплавлении практически отсутствуют. Металлографические исследования шлифов показали отсутствие макроскопической ликвации в слитках. Сплав имел типичную дендритную микроструктуру (см. рис 1)

Согласно литературным данным [5], сплав указанного состава имеет ГЦК решетку с параметром 0.359нм, при этом элементный состав дендритов и междендритных областей заметно различен.

Фактический состав изученного образца высокоэнтропийного сплава (вес. %): Аl 4.46%; Co 19.48%; Cu 21.01%; Cr 17.18%; Ni 19.4%; Fe-18.46%. Плотность 7.979 г/см³.

Акустические измерения были выполнены методом резонансной механической спектроскопии с электростатическим возбуждением консольно закрепленного образца на частоте изгибных колебаний 0.5 кГц в амплитудно-независимой области звуковой деформации e₀~10^-7. Использованный в работе метод неразрушающей механической спектроскопии сочетает высокую структурную чувствительность, избирательность и точность. Исследованные образцы в форме тонких пластин 22´4´0.1¸0.3мм были вырезаны из более массивных заготовок электроэрозионной резкой и доведены до окончательной формы и размеров механической шлифовкой. В процессе акустических измерений температура измерялась с точностью 50 мK при помощи Cu-константановой термопары, AsGa термометра и резистивного нагревателя. Скорость изменения температуры составляла ~ 1 К/мин.

При изучении акустических свойств установлено, что при повышении температуры от 4.2К до 320К модуль Юнга образца монотонно понижается от 194 ГПА до 182 ГПа, а поглощение возрастает (рис. 2). Полученные значения модуля Юнга согласуются с литературными данными для сплавов подобного состава [6]. При этом на температурных зависимостях акустического поглощения и модуля упругости не наблюдаются какие-либо существенные особенности релаксационной природы. Отсутствие на полученных температурных зависимостях акустического поглощения и модуля упругости особенностей, характерных для структурно-фазовых превращений, свидетельствует о стабильности структуры изученного литого многокомпонентного высокоэнтропийного сплава Al_0.5CoCuCrNiFe в исследованном интервале температур.

[1] S. Ranganathan. Alloyed pleasures: Multimetallic cocktails. Current Science 85, №10, 1404-1406 (2003).

[2] J.W. Yeh, Y.L. Chen, S.J. Lin and S.K. Chen. High-entropy alloys — a new era of exploitation. Mater. Science Forum. 560, 1-9 (2007).

[3] Y. Zhang and Y.J. Zhou Solid solution formation criteria for high entropy alloys. Ibid. 561-565, 1337-1339 (2007).

[4] С.А. Фирстов, В.Ф. Горбань, Н.А. Крапивка, Э.П. Печковский, Н.И. Даниленко,
М.В. Карпец. Механические свойства литых многокомпонентных сплавов при высоких температурах. Современные проблемы физического материаловедения, вып. 18, 140-147 (2009).

[5] Chung-Chin Tung, Jien-Wei Yeh, Tao-tsung Shun, Swe-Kai Chen, Yuan-Sheng Huang and Hung-Cheng Chen. On the elemental effect of AlCoCrCuFeNi high-entropy alloy system, Materials Letters 61, Issue 1, 1–5 (2007).

[6] K.B. Zhang, Z.Y. Fu, J.Y. Zhang, W.M. Wang, H. Wang, Y.C. Wang, Q.J. Zhang, J. Shi. Microstructure and mechanical properties of CoCrFeNiTiAlx high-entropy alloys. Materials Science and Engineering: A 508, Issues 1–2, 214–219 (2009).