Surface properties of oxide-fluoride compounds formed during the aluminothermic synthesis of high-entropy alloys

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

This work presents thermodynamic modeling and experimental study of the oxide-fluoride phase formed during the production of high-entropy refractory, lightweight alloys of the Al–Ti–Zr–V–Nb system by the method of combined aluminothermic reduction from metal oxides of titanium, zirconium, niobium and vanadium. The aim of the work was to determine the optimal conditions for obtaining such alloys and to find the characteristics of phase separation. Modeling showed that the formation of a lightweight and refractory alloy requires temperatures of at least1600°C and an aluminum content in the range of 15 to 40 atomic percent. In this case, it is recommended to use a small excess of aluminum in the charge to ensure the transition of some aluminum to the metallic phase. Calculations of surface tension and density showed a significant difference between the metallic and oxide-fluoride phases, which contributes to the settling of the metallic melt to the bottom of the crucible and the formation of a clear separation boundary between the two phases. Interfacial tension in the range of 1000–1600 mJ/m² ensures minimal wetting of the slag by the metal and reduces the amount of non-metallic inclusions in the metal, which has a positive effect on the quality of the final product. It is noted that an increase in the number of components in the melt complicates the selection of empirical coefficients, which limits the accuracy of the calculation by the empirical method. Chemical analysis of the oxide-fluoride phase after the experiment confirmed the presence of zirconium and titanium oxides in it, which increase the surface tension and density compared to the calculated values. However, these parameters remain below the corresponding values of the metallic phase, which ensures effective phase separation and the formation of a solid metal ingot without excessive adhesion to the oxide-fluoride phase. The results obtained demonstrate the promise of the selected conditions for the production of high-quality high-entropy alloys and can be used for further evaluation calculations and optimization of technological processes.

About the authors

A. S. Russkih

The Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: russkih_A_S@mail.ru
Yekaterinburg, Russia

E. M. Zhilina

The Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: russkih_A_S@mail.ru
Yekaterinburg, Russia

T. V. Osinkina

The Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: russkih_A_S@mail.ru
Yekaterinburg, Russia

References

  1. Филатов А.А. и др. Способ получения лигатуры AlZr15 из оксидов // Уральская школа молодых металловедов : материалы XVIII Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов – молодых ученых, Екатеринбург, 21–23 октября 2017 года / Ответственный редактор: А. А. Попов; Министерство образования и науки. 2017. P. 384–388.
  2. Zhilina E.M., Krasikov S.A. Surface tension of a titanium-containing oxide–fluoride melt calculated by the polymer theory // Russ. Metall. Maik Nauka-Interperiodica Publishing. 2017.2017. № 8. P. 642–643.
  3. Tyushnyakov S.N. et al. Metallothermic Reduction of Natural Cassiterite // Metallurgist. 2021.65. № 7–8. P. 746–759.
  4. Mityushova Y.A. et al. Thermodynamic Estimation of the Formation of a High-Entropy Al–Nb–Ti–V–Zr Alloy // Russ. Metall. 2021.2021. № 2. P. 187–191.
  5. Zhilina E.M. et al. Possibility of obtaining refractory high-entropy AlTiZrVNb alloys from metal oxides // Russ. Chem. Bull. Springer, 2023.72. № 4. P. 895–901.
  6. Ikornikov D.M. et al. Effect of Doping with Si–B on the Structure of Cast Mo–Nb–Cr–V–Ti–Al High-Entropy Alloy Produced by Gravity-Assisted SHS Metallurgy // Int. J. Self-Propagating High-Temperature Synth. Pleiades Publishing, 2024.33. № 4. P. 330–335.
  7. Kirakosyan H. et al. The preparation of high-entropy refractory alloys by aluminothermic reduction process // AIP Conf. Proc. American Institute of Physics Inc., 2024.2989. № 1.
  8. Kaya F. et al. Thermochemical Modeling-Assisted Synthesis of AlxCoCrFeNiMn (0.5 ≤ x ≤ 3) High-Entropy Alloys via Combustion Method for Soft Magnetic Applications // Mining, Metall. Explor. Springer Science and Business Media Deutschland GmbH, 2025.42. № 2. P. 465–477.
  9. Li R.X., Liaw P.K., Zhang Y. Synthesis of AlxCoCrFeNi high-entropy alloys by high-gravity combustion from oxides // Mater. Sci. Eng. A. Elsevier, 2017.707. P. 668–673.
  10. HSC Chemistry for Windows – Chemical Reaction and Equilibrium Software with extensive Thermochemical Database, product of Outokumpu Research, Oy, Pori, Finland [Electronic resource]. URL: www.outotec.com/hsc. Загл. с экрана.
  11. Balakirev V.F. et al. Joint Metallothermic Reduction of Titanium and Rare Refractory Metals of Group V // Russ. J. Non-Ferrous Met. Pleiades journals, 2021.62. № 2. P. 190–196.
  12. Арсентьев П.П. и др. Экспериментальные работы по теории металлургических процессов. М.: Металл. 1989. 288 p.
  13. Мурач Н.Н. Алюминотермия титана. М.: ЦИИНцв. 1958. 51 p.
  14. Allibert M. et al. Slag Atlas // Slag Atlas. 1995. P. 616.
  15. Hara S., Ogino K. Density of CaF2-CaO-Al203 melts for electroslag remelting // Can. Metall. Q. 1981. 20. № 1. P. 113–116.
  16. Григорян В.А., Белянчиков Л.Н., Стомахин. А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. Москва: Металлургия, 1987. 272 p.
  17. Линчевский Б.В. Техника металлургического эксперимента. Москва: Наука., 1979. 256 p.
  18. Арсентьев П.П., Коледов Л.А. Металлические расплавы и их свойства. М.: Металл. 1976. 376 p.
  19. Попель С.И. Поверхностные явления в расплавах. М.: Металл. 1994. 440 p.
  20. Попель С.И., Сотников А.И., Бороненков В.Н. Теория металлургических процессов: учебное пособие для вузов. М.: Металл. 1986. 463 p.
  21. Попель С.И. Теория металлургических процессов. М.: ВИНИТИ. 1971. 132 p.
  22. Novakovic R. et al. Surface, dynamic and structural properties of liquid Al – Ti alloys // Appl. Surf. Sci. 2012.258. P. 3269–3275.
  23. Kotenkov P.V., Cherepanova L.A., Sterkhov E.V. Thermal and Structural Stability of the TiZrHfNbTa Solid Solution // Russ. Metall. Pleiades Publishing, 2024.2024. № 4. P. 834–840.
  24. Xin J. et al. Surface tension calculation of molten slag in SiO2–Al2O3–CaO–MgO systems based on a statistical modelling approach // ISIJ Int. 2019.59. № 5. P. 759–767.
  25. Nakajima K. Estimation of surface tension for multicomponent silicate melts // Tetsu-to-Hagané. 1994.80. № 8. P. 599–604.
  26. Filatov A.A. i dr. Sposob polucheniya ligatury AlZr15 iz oksidov // Ural’skaya shkola molodyh metallovedov : materialy XVIII Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj Ural’skoj shkoly-seminara metallovedov – molodyh uchenyh, Ekaterinburg, 21–23 oktyabrya 2017 goda / Otvetstvennyj redaktor: A. A. Popov; Ministerstvo obrazovaniya i nauki. 2017. P. 384–388. [In Russian].
  27. Zhilina E.M., Krasikov S.A. Surface tension of a titanium-containing oxide–fluoride melt calculated by the polymer theory // Russ. Metall. Maik Nauka-Interperiodica Publishing, 2017.2017.№ 8. P. 642–643.
  28. Tyushnyakov S.N. et al. Metallothermic Reduction of Natural Cassiterite // Metallurgist. 2021.65.№ 7–8. P. 746–759.
  29. Mityushova Y.A. et al. Thermodynamic Estimation of the Formation of a High-Entropy Al–Nb–Ti–V–Zr Alloy // Russ. Metall. 2021.2021.№ 2. P. 187–191.
  30. Zhilina E.M. et al. Possibility of obtaining refractory high-entropy AlTiZrVNb alloys from metal oxides // Russ. Chem. Bull. Springer, 2023.72.№ 4. P. 895–901.
  31. Ikornikov D.M. et al. Effect of Doping with Si–B on the Structure of Cast Mo–Nb–Cr–V–Ti–AlHigh-Entropy Alloy Produced by Gravity-Assisted SHS Metallurgy // Int. J. Self-Propagating High-Temperature Synth. Pleiades Publishing, 2024.33.№ 4. P. 330–335.
  32. Kirakosyan H. et al. The preparation of high-entropy refractory alloys by aluminothermic reduction process // AIP Conf. Proc. American Institute of Physics Inc., 2024.2989.№ 1.
  33. Kaya F. et al. Thermochemical Modeling-Assisted Synthesis of AlxCoCrFeNiMn (0.5 ≤ x ≤ 3) High-Entropy Alloys via Combustion Method for Soft Magnetic Applications // Mining, Metall. Explor. Springer Science and Business Media Deutschland GmbH, 2025.42.№ 2. P. 465–477.
  34. Li R.X., Liaw P.K., Zhang Y. Synthesis of AlxCoCrFeNi high-entropy alloys by high-gravity combustion from oxides // Mater. Sci. Eng. A. Elsevier, 2017.707. P. 668–673.
  35. HSC Chemistry for Windows – Chemical Reaction and Equilibrium Software with extensive Thermochemical Database, product of Outokumpu Research, Oy, Pori, Finland [Electronic resource]. URL: www.outotec.com/hsc. Zagl. s ekrana.
  36. Balakirev V.F. et al. Joint Metallothermic Reduction of Titanium and Rare Refractory Metals of Group V // Russ. J. Non-Ferrous Met. Pleiades journals, 2021.62.№ 2. P. 190–196.
  37. Arsent’ev P.P. i dr. Eksperimental’nye raboty po teorii metallurgicheskih processov. M.: Metall. 1989. 288 p. [In Russian].
  38. Murach N.N. Alyuminotermiya titana. M.: CIINcv.1958. 51 p.
  39. Allibert M. et al.Slag Atlas // Slag Atlas. 1995. P. 616.
  40. Hara S., Ogino K. Density of CaF2-CaO-Al203 melts for electroslag remelting // Can. Metall. Q. 1981. 20. № 1. P. 113–116.
  41. Grigoryan V.A., Belyanchikov L.N., Stomahin. A.YA. Teoreticheskie osnovy elektrostaleplavil’nyh processov. Moskva: Metallurgiya, 1987. 272 p. [In Russian].
  42. Linchevskij B.V. Tekhnika metallurgicheskogo eksperimenta. Moskva: Nauka., 1979. 256 p.[In Russian].
  43. Arsent’ev P.P., Koledov L.A. Metallicheskie rasplavy i ih svojstva. M.: Metall. 1976. 376 p. [In Russian].
  44. Popel’ S.I. Poverhnostnye yavleniya v rasplavah. M.: Metall. 1994. 440 p. [In Russian].
  45. Popel’ S.I., Sotnikov A.I., Boronenkov V.N. Teoriya metallurgicheskih processov: uchebnoe posobie dlya vuzov. M.: Metall. 1986. 463 p. [In Russian].
  46. Popel’ S.I. Teoriya metallurgicheskih processov.M.: VINITI. 1971. 132 p.
  47. Novakovic R. et al.Surface, dynamic and structural properties of liquid Al – Ti alloys // Appl. Surf. Sci. 2012.258. P. 3269–3275.
  48. Kotenkov P.V., Cherepanova L.A., Sterkhov E.V. Thermal and Structural Stability of the TiZrHfNbTa Solid Solution // Russ. Metall. Pleiades Publishing, 2024.2024.№ 4. P. 834–840.
  49. Xin J. et al. Surface tension calculation of molten slag in SiO2–Al2O3–CaO–MgO systems based on a statistical modelling approach // ISIJ Int. 2019.59.№ 5. P. 759–767.
  50. Nakajima K. Estimation of surface tension for multicomponent silicate melts // Tetsu-to-Hagané. 1994.80.№ 8. P. 599–604.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

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».