ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ АКУСТИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЛИТОГО И ОТОЖЕННОГО ВЫСОКОЭНТРОПИЙНОГО СПЛАВА Al0.5CoCuCrNiFe

 

Ю.А. Семеренко1, Е.Д. Табачникова1, М.А. Тихоновский2, Т.М. Тихоновская2,
И.В. Колодий
2, А.С. Тортика2, C.Э. Шумилин1

1ФТИНТ им. Б.И. Веркина НАНУ, г. Харьков, Украина, semerenko@ilt.kharkov.ua
2ННЦ ХФТИ НАНУ, г. Харьков, Украина, tikhonovsky@kipt.kharkov.ua

Перспективным направлением создания высокопрочных, термически стабильных металлических материалов является разработка многокомпонентных высокоэнтропийных сплавов (ВЭСов). Микроструктура таких сплавов часто состоит из одного или нескольких многокомпонентных твердых растворов замещения, что обеспечивает формирование привлекательного комплекса механических свойств, а замедленная диффузия обеспечивает высокую термическую стабильность. Механические свойства высокоэнтропийного сплава Al0.5CoCrCuFeNi (концентрации элементов заданы в молярном отношении) и их связь с микроструктурой активно изучались в интервале температур от комнатной и до 1500 К. В то же время экспериментальные данные при температурах ниже комнатной практически отсутствуют.

Исходные литые образцы сплава получали сплавлением компонентов в инертной атмосфере. Металлографические исследования шлифов показали отсутствие макроскопической ликвации в слитках. Структурные исследования выполнены методами оптической микроскопии, рентгеноструктурного анализа, сканирующей электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа. Литой сплав имел ГЦК решетку и типичную дендритную микроструктуру. При этом отражения от всех плоскостей расщепляются, что свидетельствует о различии параметров ГЦК решетки тела дендритов и междендритных промежутков. Малое количество отражений связано с большими размерами зерен и согласуется с металлографическими исследованиями. Получены параметры решеток: ГЦК1 а=3.596±1·10-3Å; ГЦК2 а=3.625±3·10-3 Å.

Исходя из значений для интенсивностей отражений и наблюдаемого соотношения площадей дендритов и междендритных промежутков, установлено, что ГЦК1 соответствует дендритам, а ГЦК2 - междендритным промежуткам. Это согласуется с [1] по составу дендритов, обогащенных Fe, Cr и Co (более 20 ат.% каждого), и обедненных Cu (менее 10%) и междендритных промежутков, обогащенных Cu (≈65%) и практически не содержащих Fe, Cr и Co (менее 4%). В междендритных промежутках содержание Al повышено до ~15%, что, согласно [2], приводит к увеличению параметра ГЦК решетки. На границе между дендритными и междендритными областями можно обнаружить отдельные области, близкие по составу к междендритным прослойкам, но содержащие меньше Cu (~47 %) и значительно более высокое количество Ni, Fe, Cr и Co.

Акустические измерения выполнены методом механической резонансной спектроскопии на частоте изгибных колебаний 530Гц в амплитудно-независимой области деформации e0~10-7. Измерены температурные зависимости декремента колебаний d и динамического модуля Юнга Е (см. рис. 1). Установлено, что при повышении температуры от 4.2К до 320К Е монотонно понижается от 194 ГПА до 182 ГПа, а d возрастает. Полученные значения Е согласуются с данными [3] для сплавов подобного состава. На температурных зависимостях d и Е не наблюдаются какие-либо особенности релаксационной природы, характерные для структурно-фазовых превращений, что свидетельствует о стабильности структуры изученного литого многокомпонентного высокоэнтропийного сплава Al0.5CoCuCrNiFe в исследованном интервале температур.

Отжиг при 1243 К в течение 6 ч с последующим медленным охлаждением образца приводит к существенному (~ 20 %) увеличению Е, а также к появлению при температуре ~ 230 К пика акустического поглощения. Установлено, что отжиг приводит к изменению структурно-фазового состава сплава. Состав дендритных областей [1] остаётся практически неизменным, тогда как в междендритных областях происходит снижение содержания меди и алюминия и повышение содержания остальных элементов. На границах между дендритными и междендритными областями происходит образование частиц, обогащенных Ni (≈30%), Al (>20%) и Cu (>20%). Согласно данным [4], эта фаза может иметь упорядоченную кристаллическую решетку типа B2. Эти результаты согласуются с данными [5] о высокотемпературном упрочнении сплава после выдержки при температурах от 570 К до 870 К.

Механические свойства изучены в температурном интервале 0.5 -300 К при деформации сжатием. При деформациях ~ 2 % измерялась скоростная чувствительность деформирующего напряжения Δσ/Δln(έ). Во всем температурном интервале в сплаве наблюдаются высокие значения прочности и пластичности. Величина условного предела текучести s02 при повышении температуры от 4.2 до 300К изменяется сильнее (от 700 до 430МПа, т.е. на 38.5 %), чем величина Е (на 6%). При температурах ниже 15 К обнаружено изменение характера пластического течения от плавного к скачкообразному. В предположении термоактивированного характера пластической деформации для образцов в литом состоянии вычислены величины активационного объема для термоативированного движения дислокаций, значения которого уменьшается с понижением температуры от 122·b3 при 300K до 35·b3 при 30K. Наблюдаемые в исследуемом сплаве особенности, такие как температурная зависимость s02, уменьшение скоростной чувствительности деформирущего напряжения с уменьшением температуры указывают на термоактивированный характера пластической деформации. В интервале температур 4.2К – 0.5К в литых образцах обнаружена аномальная температурная зависимость s02 - уменьшение от 700МПа при 4.2 К и до 570МПа при 0.5 К. В отожженном состоянии эта аномалия не наблюдается. Отмеченные различия в свойствах и поведении литых и отожженных образцов связываются со структурно-фазовыми превращениями, происходящими при отжиге, в частности с образованием выделений ОЦК фазы в ГЦК матрице [6].

 

1.    Семеренко Ю.А., Табачникова Е.Д., Лактионова М.А., Шумилин C.Э. Тихоновский М.А., Колодий И.В., Тихоновская Т.М., Тортика А.С., Салищев Г.А., Степанов Н.Д., Шайсултанов Д.Г., Акустические и механические свойства высокоэнтропийного сплава Al0.5CoCuCrNiFe, Материалы 55-й международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (9-13 июня 2014г., Харьков, Украина, ННЦ ХФТИ). – С.55

2.    Chung-Jin Tong,Yu-Liang Chen, Swe-Kai Chen et.al., Microstructure characterization of AlxCoCrCuFeNi high-entropy alloy system with multiprincipal elements //Metallurgical and Materials Transactions A 2005. V.36A. P.881-893.

3.    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. 2009. V.508. Issues 1–2. P.214–219.

4.    D.G. Shaysultanov, N.D. Stepanov, A.V. Kuznetsov, G.A. Salishchev, O.N. Senkov. Phase Composition and Superplastic Behavior of a Wrought AlCoCrCuFeNi High Entropy Alloy. JOM. 2013. V.65 (12) (2013). P. 1815-1828.

5.    Che-Wei Tsai, Ming-Hung Tsai, Jien-Wei Yeh, Chih-Chao Yang. Effect of temperature on mechanical properties of Al0.5CoCrCuFeNi wrought alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2010. V.490. P.160–165.

6.    C. Ng, Sheng Guo, Junhua Luan, S. Shi, C.T. Liu. Entropy-driven phase stability and slow diffusion kinetics in an Al0.5CoCrCuFeNi high entropy alloy // Intermetallics. 2012. V.31. P.165-172.