Effect of mechanical alloying modes on the microstructure, phase composition and mechanical properties of powder high-entropy Co–Cr–Fe–Ni–Ti alloys

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

The influence of the duration of mechanical alloying (15, 30, 45, and 60 min), the Ti content (4, 8, and 12 at %), and the method of its adding (in the form of Ti metal powder or TiH2 powder) on the microstructure, phase composition, and mechanical properties of Co–Cr–Fe–Ni–Ti high-entropy alloys (HEAs) manufactured by powder technology has been studied. It has been established that the structure of powder mixtures attains a high degree of homogeneity within 30 min of mechanical alloying and contains 43 and 57% of BCC and FCC phases, respectively. In the process of subsequent hot pressing, the structure is further homogenized, and the FCC phase content increases, reaching 99% in the alloys manufactured with TiH2. The optimal combination of mechanical properties is attained in the CoCrFeNiTi : the hardness is 74 HRA, and the ultimate tensile and bending strength are 690 and 1255 MPa, respectively. In the group of alloys made with Ti metal powder, the strength, hardness, density, and wear resistance grow, and brittleness decreases. To further improve the mechanical properties of Co–Cr–Fe–Ni–Ti HEAs manufactured using powder technology, it is necessary to optimize the σ-phase content and decrease the oxynitride phase content, which can be achieved both by adjusting the composition and by improving the modes of mechanical alloying.

全文:

受限制的访问

作者简介

М. Berezin

National Research Technological University MISiS

编辑信件的主要联系方式.
Email: berezinmaximus@gmail.com
俄罗斯联邦, Moscow

А. Zaitsev

National Research Technological University MISiS

Email: berezinmaximus@gmail.com
俄罗斯联邦, Moscow

B. Romanenko

National Research Technological University MISiS

Email: berezinmaximus@gmail.com
俄罗斯联邦, Moscow

Р. Loginov

National Research Technological University MISiS

Email: berezinmaximus@gmail.com
俄罗斯联邦, Moscow

参考

  1. George E.P., Raabe D., Ritchie R.O. High-entropy alloys // Nat. Rev. Mater. 2019. V. 4. P. 515–534. https://doi.org/10.1038/s41578-019-0121-4
  2. Yeh J.-W., Chen S.-K., Lin S.-J., Gan J.-Y., Chin T.-S., Shun T.-T., Tsau C.-H., Chang S.-Y. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: novel alloy design concepts and outcomes // Adv. Eng. Mater. 2004. V. 6. № 5. P. 299–303. https://doi.org/10.1002/adem.200300567
  3. Cantor B., Chang I.T.H., Knight P., Vincent A.J.B. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2004. V. 375–377. P. 213–218. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.257
  4. Otto F., Dlouhý A., Somsen Ch., Bei H., Eggeler G., George E.P. The influences of temperature and microstructure on the tensile properties of a CoCrFeMnNi high-entropy alloy // Acta Mater. 2013. V. 61. № 15. P. 5743–5755. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.06.018
  5. Otto F., Yang Y., Bei H., George E.P. Relative effects of enthalpy and entropy on the phase stability of equiatomic high-entropy alloys // Acta Mater. 2013. V. 61. № 7. P. 2628–2638. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.01.042
  6. Ma D., Yao M., Pradeep K.G., Tasan C.C., Springer H., Raabe D. Phase stability of non-equiatomic CoCrFeMnNi high entropy alloys // Acta Mater. 2015. V. 98. P. 288–296. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.07.030
  7. Gludovatz B., Hohenwarter A., Catoor D., Chang E.H., George E.P., Ritchie R.O. A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications // Science. 2014. V. 345. № 6201. P. 1153-8. https://doi.org/10.1126/science.1254581
  8. Wu Z., Bei H., Pharr G.M., George E.P. Temperature dependence of the mechanical properties of equiatomic solid solution alloys with face-centered cubic crystal structures // Acta Mater. 2014. V. 81. P. 428–441. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.08.026
  9. Laurent-Brocq M., Akhatova A., Perrière L., Chebini S., Sauvage X., Leroy E., Champion Y. Insights into the phase diagram of the CrMnFeCoNi high entropy alloy // Acta Mater. 2015. V. 88. P. 355–365. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.01.068
  10. Haas S., Mosbacher M., Senkov O.N., Feuerbacher M., Freudenberger J., Gezgin S., Völkl R., Glatzel U. Entropy determination of single-phase high entropy alloys with different crystal structures over a wide temperature range // Entropy (Basel). 2018. V. 20. № 9. P. 654. https://doi.org/10.3390/e20090654
  11. Senkov O.N., Wilks G.B., Miracle D.B., Chuang C.P., Liaw P.K. Refractory high-entropy alloys //Intermetallics. 2010. V. 18. № 9. P. 1758–1765. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2010.05.014
  12. Senkov O.N., Semiatin S.L. Microstructure and properties of a refractory high-entropy alloy after cold working // J. Alloys Compd. 2015. V. 649. P. 1110–1123. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.07.209
  13. Sheikh S., Shafeie S., Hu Q., Ahlström J., Persson C., Veselý J., Zýka J., Klement U., Guo S. Alloy design for intrinsically ductile refractory high-entropy alloys // J. Appl. Phys. 2016. V. 120. P. 164902. https://doi.org/10.1063/1.4966659
  14. Feuerbacher M., Heidelmann M., Thomas C. Hexagonal high-entropy alloys // Mater. Res. Lett. 2014. V. 3. № 1. P. 1–6. https://doi.org/10.1080/21663831.2014.951493
  15. Takeuchi A., Amiya K., Wada T., Yubuta K., Zhang W. High-entropy alloys with a hexagonal close-packed structure designed by equi-atomic alloy strategy and binary phase diagrams // JOM. 2014. V. 66. P. 1984–1992. https://doi.org/10.1007/s11837-014-1085-x
  16. Zhao Y.J., Qiao J.W., Ma S.G., Gao M.C., Yang H.J., Chen M.W., Zhang Y. A hexagonal close-packed highentropy alloy: the effect of entropy // Mater. Des. 2016. V. 96. P. 10–15. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.01.149
  17. Qiao J.W., Bao M.L., Zhao Y.J., Yang H.J., Wu Y.C., Zhang Y., Hawk J.A., Gao M.C. Rare-earth high entropy alloys with hexagonal close-packed structure // J. Appl. Phys. 2018. V. 124. P. 195101. https://doi.org/10.1063/1.5051514
  18. Lilensten L., Couzinié J.P., Perrière L., Bourgon J., Emery N., Guillot I. New structure in refractory highentropy alloys // Mater. Lett. 2014. V. 132. P. 123–125. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2014.06.064
  19. Yeh J.W., Chen Y.L., Lin S.J., Chen S.K. High-entropy alloys — a new era of exploitation // MSF. 2007. V. 560. P. 1–9. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.560.1
  20. Ma D., Grabowski B., Körmann F., Neugebauer J., Raabe D. Ab initio thermodynamics of the CoCrFeMnNi high entropy alloy: Importance of entropy contributions beyond the configurational one // Acta Mater. 2015. V. 100. P. 90–97. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.08.050
  21. Poletti M.G., Battezzati L. Electronic and thermodynamic criteria for the occurrence of high entropy alloys in metallic systems // Acta Mater. 2014. V. 75. P. 297–306. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.04.033
  22. Li Z., Raabe D. Strong and ductile non-equiatomic high-entropy alloys: design, processing, microstructure, and mechanical properties // JOM. 2017. V. 69. P. 2099–2106. https://doi: 10.1007/s11837-017-2540-2
  23. Joseph J., Stanford N., Hodgson P., Fabijanic D.M. Understanding the mechanical behaviour and the large strength/ductility differences between FCC and BCC AlxCoCrFeNi high entropy alloys // J. Alloys Compd. 2017. V. 726. P. 885–895. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.08.067
  24. Wang X.F., Zhang Y., Qiao Y., Chen G.L. Novel microstructure and properties of multicomponent CoCrCuFeNiTix alloys // Intermetallics. 2007. V. 15. № 3. P. 357–362. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2006.08.005
  25. He J.Y., Liu W.H., Wang H., Wu Y., Liu X.J., Nieh T.G., Lu Z.P. Effects of Al addition on structural evolution and tensile properties of the FeCoNiCrMn high-entropy alloy system // Acta Mater. 2014. V. 62. P. 105–113. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.09.037
  26. Zhou Y.J., Zhang Y., Wang Y.L., Chen G.L. Solid solution alloys of AlCoCrFeNiTix with excellent room-temperature mechanical properties // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 181904. https://doi.org/10.1063/1.2734517
  27. Li B.S., Wang Y.P., Ren M.X., Yang C., Fu H.Z. Effects of Mn, Ti and V on the microstructure and properties of AlCrFeCoNiCu high entropy alloy // Mater. Sci. Eng. A. 2008. V. 498. № 1–2. P. 482–486. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.08.025
  28. Stepanov N.D., Shaysultanov D.G., Salishchev G.A., Tikhonovsky M.A., Oleynik E. E., Tortika A.S., Senkov O.N. Effect of V content on microstructure and mechanical properties of the CoCrFeMnNiVx high entropy alloys // J. Alloys Compd. 2015. V. 628. P. 170–185. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.12.157
  29. Рогачев А.С. Структура, стабильность и свойства высокоэнтропийных сплавов // ФММ. 2020. Т. 121. № 8. С. 807−841. https://doi.org/10.31857/S0015323020080094
  30. Qi Y., Cao T., Zong H., Wu Y., He L., Ding X., Jiang F., Jin S., Sha G., Sun J. Enhancement of strength-ductility balance of heavy Ti and Al alloyed FeCoNiCr high-entropy alloys via boron doping // J. Mater. Sci. Technol. 2021. V. 75. P. 154–163. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.023
  31. Tong Y., Chen D., Han B., Wang J., Feng R., Yang T., Zhao C., Zhao Y.L., Guo W., Shimizu Y., Liu C.T., Liaw P.K., Inoue K., Nagai Y., Hu A., Kai J.J. Outstanding tensile properties of a precipitation-strengthened FeCoNiCrTi0.2 high-entropy alloy at room and cryogenic temperatures // Acta Mater. 2019. V. 165. P. 228–240. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.11.049
  32. Shun T.-T., Chang L.-Y, Shiu M.-H. Microstructures and mechanical properties of multiprincipal component CoCrFeNiTix alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2012. V. 556. P. 170−174. https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.06.075
  33. Chand S., Rana N.K., Rakha K., Reza S., Batra U. Synthesis and characterization of CoCrFeNi1.75-xTi0.25+x high entropy alloy // Mater. Today Proc. 2022. V. 62. № 14. P. 7540–7546. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.04.344
  34. Li X., Li Z., Wu Z., Zhao S., Zhang W., Bei H., Gao Y. Strengthening in Al-, Mo- or Ti-doped CoCrFeNi high entropy alloys: A parallel comparison // J. Mater. Sci. Technol. 2021. V. 94. P. 264−274. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.02.060
  35. Hedya S., Mohamed L., Gaber G., Elkady O., Megahed H., Abolkassem S. Effect of Si/Ti additions on physico-mechanical and chemical properties of FeNiCrCo high entropy alloys manufactured by powder metallurgy technique // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2022. V. 32. № 8. P. 2648−2664. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(22)65973-9
  36. Ивасишин О.М., Саввакин Д.Г., Бондарева К.А., Моксон В.С., Дузь В.А. Производство титановых сплавов и деталей экономичным методом порошковой металлургии для широкомасштабного промышленного применения // Наука и инновации. 2005. Т. 1. № 2. С. 44−57.
  37. Ma Q. Cold compaction and sintering of titanium and its alloys for near-net-shape or preform fabrication // Int. J. Powder Metall. 2010. V. 46. № 5. P. 29−43. https://doi.org/ 10.18307/2010.0104
  38. Ивасишин О.М., Бондарчук О.Б., Гуменяк М.М., Саввакин Д.Г. Поверхностные явления при нагревании порошка гидрида титана // Физика и химия твердого тела. 2011. Т. 12. № 4. С. 900−907.
  39. Collins T.J. ImageJ for microscopy // BioTechniques. 2007. V. 43. 1 Suppl. P. 25−30. https://doi.org/10.2144/000112517
  40. Bendo Demetrio K. Cryomilling and spark plasma sintering of 2024 aluminium alloy. 2011. PhD thesis, University of Trento.
  41. Cao M.Z., Zuo Y., He B.B., Liang Z.Y. Suppressing σ phase formation by rapid solidification to prevent embrittlement in a low-cost aged medium-entropy alloy // J. Mater. Res. Technol. 2023. V. 27. P. 5669−5680. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.11.055
  42. Lee J., Kim I., Kimura A. Application of small punch test to evaluate sigma-phase embrittlement of pressure vessel cladding material // J. Nucl. Sci. Technol. 2003. V. 40. № 9. P. 664−671. https://doi.org/10.1080/18811248.2003.9715404
  43. Hsu C.-Y., Juan C.-C., Chen S.-T., Sheu T.-S., Yeh J.-W., Chen S.-K. Phase diagrams of high-entropy alloy system Al-Co-Cr-Fe-Mo-Ni // JOM. 2013. V. 65. № 12. P. 1829−1839. htpps://doi.org/10.1007/s11837-013-0773-2
  44. Chuang M.-H., Tsai M.-H., Tsai C.-W., Yang N.-H., Chang S.-Y., Yeh J.-W., Chen S.-K., Lin S.-J. Intrinsic surface hardening and precipitation kinetics of Al0.3CrFe1.5MnNi0.5 multi-component alloy // J. Alloys Compd. 2013. V. 551. P. 12−18. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.09.133

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. SEM images of the microstructure of CoCrFeNiTi4, CoCrFeNiTi8 and CoCrFeNiTi12 powders after 15, 30, 45, 60 min ML. Cracks in the particles are outlined with a red dashed line.

下载 (131KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Distribution of elements in CoCrFeNiTi4, CoCrFeNiTi8 and CoCrFeNiTi12 powders after 15 min ML.

下载 (79KB)
索引源数据
4. Fig. 3. MRSA results: from the surface of a section of CoCrFeNiTi4 powder particles after 45 min ML (a); after 60 min ML (b); CoCrFeNiTi8 after 45 min ML (c); from points inside a CoCrFeNiTi12 powder particle after 60 min ML (d).

下载 (92KB)
索引源数据
5. Fig. 4. X-ray diffraction patterns of CoCrFeNiTi8 powders after 15, 30, 45 and 60 min of ML.

下载 (16KB)
索引源数据
6. Fig. 5. SEM images of microstructures of compacts CoCrFeNiTi4 (a), CoCrFeNiTi8 (b), CoCrFeNiTi12 (c), CoCrFeNiTi4(TiH2) (d), CoCrFeNiTi8(TiH2) (d), CoCrFeNiTi12(TiH2) (e). Single dark rounded inclusions, spherical inclusions with dark boundaries and clusters of small dark inclusions are outlined by red dashed, turquoise dotted and yellow solid lines, respectively.

下载 (106KB)
索引源数据
7. Fig. 6. Results of MRSA of compacts: CoCrFeNiTi4 — from the surface of the section (a); CoCrFeNiTi4 — from selected points (b, c); CoCrFeNiTi8 — from the surface of the section (d); CoCrFeNiTi8 — from selected points (d); CoCrFeNiTi12 — from the surface of the section (e); CoCrFeNiTi12 — from selected points (g, h).

下载 (191KB)
索引源数据
8. Fig. 7. Results of MRSA of compacts: CoCrFeNiTi4(TiH2) — from the surface of the section (a); CoCrFeNiTi4(TiH2) — from selected points (b-d); CoCrFeNiTi8(TiH2) — from the surface of the section (d); CoCrFeNiTi8(TiH2) — from selected points (e); CoCrFeNiTi12(TiH2) — from the surface of the section (g); CoCrFeNiTi12(TiH2) — from selected points (h).

下载 (265KB)
索引源数据
9. Fig. 8. X-ray diffraction patterns of Co–Cr–Fe–Ni–Ti compacts obtained by the GP method. The initial powder mixture contained Ti in the form of metallic powder (a) or in the form of TiH2 (b).

下载 (31KB)
索引源数据
10. Fig. 9. Microstructure of fractures of CoCrFeNiTi4 (a, d), CoCrFeNiTi8 (b, d), and CoCrFeNiTi12 (c, e) compacts after three-point bending tests. The initial powder mixture contained Ti in the form of metallic powder (a–c) or in the form of TiH2 (b–e).

下载 (95KB)
索引源数据
11. Fig. 10. Stress-strain graphs of Co–Cr–Fe–Ni–Ti alloys during three-point bending tests.

下载 (16KB)
索引源数据
12. Fig. 11. Friction force curves and wear track topography for samples containing 4, 8, 12% Ti. The initial powder mixture contained Ti in the form of metal powder (a) or in the form of TiH2 (b).

下载 (70KB)
索引源数据


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».