Structure and properties of HEA-based coating reinforced with CrB particles

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Currently, a new class of materials, namely high-entropy alloys, is an active area of research. One of the areas of its application is the fabrication of protective coatings with high performance properties. The high-entropy alloy of CoCrFeNiMn composition is characterized by high ductility, which is retained both at elevated and cryogenic temperatures, as well as high thermal stability and, thus, can be considered as promising materials for protective coatings formation. At the same time, its disadvantages are low hardness and strength. It is known that the reinforcement of the CoCrFeNiMn high-entropy alloy with hardening particles is an effective way to improve the mechanical properties of coatings. It is assumed that the addition of hardening boride particles affects positively on the mechanical characteristics of the alloy. The aim of this work is to study the structural and phase states and wear resistance of coatings based on a CoCrFeNiMn high-entropy alloy reinforced with CrB particles. Coatings obtained by the method of non-vacuum electron-beam surfacing of powder mixtures with different mass ratios of CoCrNiMn metal powders to the CrB powder (100:0, 95:5, 90:10, 80:20, 70:30) are studied in this work. To investigate the structure and phase composition of the coatings, such methods as optical microscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffraction analysis were applied. To study the elemental composition, energy-dispersive X-ray analysis was used. The mechanical properties were evaluated based on the microhardness measuring results. The wear resistance of the coatings was determined under conditions of dry sliding friction during reciprocating motion. Results and discussion. The addition of CrB powder to the surfacing mixture led to the formation of eutectic structures. When 5 wt. % CrB was added, a hypoeutectic structure is formed in the coating. An increase in the amount of CrB leads to the formation of coatings with a hypereutectic structure containing primary borides. The main phases found in the coatings are the fcc solid solution, and (Cr,Mn,Fe)2B, (Ni,Co,Mn)2B, CrB borides. All the studied coatings are characterized by an adhesive wear mechanism. The addition of 20 % and 30 % CrB to the surfacing mixture composition results in the wear resistance increase of the high-entropy alloy-based coatings by 3.6 and 6.1 times, respectively.

About the authors

A. A. Ruktuev

Email: ruktuev@corp.nstu.ru
Ph.D. (Engineering), Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, ruktuev@corp.nstu.ru

A. B. Yurgin

Email: yurgin2012@yandex.ru
Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, yurgin2012@yandex.ru

V. S. Shikalov

Email: v.shikalov@gmail.com
Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, v.shikalov@gmail.com

A. V. Ukhina

Email: auhina181@gmail.com
Ph.D. (Chemical), Institute of solid state chemistry and mechanochemistry SB RAS, 18 Kutateladze str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, auhina181@gmail.com

I. K. Chakin

Email: chak_in2003@bk.ru
Budker Institute of nuclear physics SB RAS, 11 Lavrentyeva str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, chak_in2003@bk.ru

E. V. Domarov

Email: domarov88@mail.ru
Budker Institute of nuclear physics SB RAS, 11 Lavrentyeva str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, domarov88@mail.ru

G. D. Dovzhenko

Email: g.d.dovjenko@srf-skif.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), SRF “SKIF”, 1 Nikolsy Prospekt, Koltsovo, 630559, Russian Federation, g.d.dovjenko@srf-skif.ru

References

  1. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: novel alloy design concepts and outcomes / J.W. Yeh, S.K. Chen, S.J. Lin, J.Y. Gan, T.S. Chin, T.T. Shun, C.H. Tsau, S.Y. Chang // Advanced Engineering Materials. ? 2004. ? Vol. 6, iss. 5. ? P. 299–303. ? doi: 10.1002/adem.200300567.
  2. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys / B. Cantor, I.T.H. Chang, P. Knight, A.J.B. Vincent // Materials Science and Engineering: A. ? 2004. ? Vol. 375–377. ? P. 213–218. ? doi: 10.1016/j.msea.2003.10.257.
  3. Tsai M.H., Yeh J.W. High-entropy alloys: a critical review // Materials Research Letters. ? 2014. ? Vol. 2, iss. 3. ? P. 107–123. ? doi: 10.1080/21663831.2014.912690.
  4. George E.P., Raabe D., Ritchie R.O. High-entropy alloys // Nature Reviews Materials. – 2019. – Vol. 4, iss. 8. – P. 515–534. – doi: 10.1038/s41578-019-0121-4.
  5. Steurer W. Single-phase high-entropy alloys – A critical update // Materials Characterization. ? 2020. ? Vol. 162. ? P. 1–17. ? doi: 10.1016/j.matchar.2020.110179.
  6. Microstructures and properties of high-entropy alloys / Y. Zhang, T.T. Zuo, Z. Tang, M.C. Gao, K.A. Dahmen, P.K. Liaw, Z.P. Lu // Progress in Materials Science. ? 2014. ? Vol. 61. ? P. 1–93. ? doi: 10.1016/j.pmatsci.2013.10.001.
  7. Duchaniya R.K., Pandel U., Rao P. Coatings based on high entropy alloys: An overview // Materials Today: Proceedings. ? 2021. ? Vol. 44. ? P. 4467–4473. ? doi: 10.1016/j.matpr.2020.10.720.
  8. Li W., Liu P., Liaw P.K. Microstructures and properties of high-entropy alloy films and coatings: a review // Materials Research Letters. ? 2018. ? Vol. 6, iss. 4. ? P. 199–229. ? doi: 10.1080/21663831.2018.1434248.
  9. Fabrication and wear behavior of TiC reinforced FeCoCrAlCu-based high entropy alloy coatings by laser surface alloying / P.F. Jiang, C.H. Zhang, S. Zhang, J.B. Zhang, J. Chen, Y. Liu // Materials Chemistry and Physics. ? 2020. ? Vol. 255. ? P. 1–10. ? doi: 10.1016/j.matchemphys.2020.123571.
  10. In-situ TiC reinforced CoCrCuFeNiSi0.2 high-entropy alloy coatings designed for enhanced wear performance by laser cladding / Y. Guo, C. Li, M. Zeng, J. Wang, P. Deng, Y. Wang // Materials Chemistry and Physics. ? 2020. ? Vol. 242. ? P. 1–9. ? doi: 10.1016/j.matchemphys.2019.122522.
  11. Gu Z., Xi S., Sun C. Microstructure and properties of laser cladding and CoCr2.5FeNi2Tix high-entropy alloy composite coatings // Journal of Alloys and Compounds. ? 2020. ? Vol. 819. ? P. 1–10. ? doi: 10.1016/j.jallcom.2019.152986.
  12. Formation and mechanical properties of CoNiCuFeCr high-entropy alloys coatings prepared by plasma transferred arc cladding process / J.B. Cheng, X.B. Liang, Z.H. Wang, B.S. Xu // Plasma Chemistry and Plasma Processing. ? 2013. ? Vol. 33, iss. 5. ? P. 979–992. ? doi: 10.1007/s11090-013-9469-1.
  13. On the study of thermal-sprayed Ni0.2Co0.6Fe0.2CrSi0.2AlTi0.2 HEA overlay coating / W.L. Hsu, H. Murakami, J.W. Yeh, A.C. Yeh, K. Shimoda // Surface and Coatings Technology. ? 2017. ? Vol. 316. ? P. 71–74. ? doi: 10.1016/j.surfcoat.2017.02.073.
  14. Technological applications of BINP industrial electron accelerators with focused beam extracted into atmosphere / S.N. Fadeev, M.G. Golkovski, A.I. Korchagin, N.K. Kuksanov, A.V. Lavruhin, S.E. Petrov, R.A. Salimov, A.F. Vaisman // Radiation Physics and Chemistry. ? 2000. ? Vol. 57, iss. 3–6. ? P. 653–655. ? doi: 10.1016/s0969-806x(99)00499-5.
  15. Influence of chromium concentration on corrosion resistance of surface layers of stainless steel / N.F. Uvarov, E. Bushueva, Y. Turlo, G. Khamgushkeeva // MATEC Web of Conferences. ? 2021. ? Vol. 340. ? P. 1–5. ? doi: 10.1051/matecconf/202134001022.
  16. Raising the resistance of chromium-nickel steel to hydroabrasive wear by non-vacuum electron-beam cladding with boron / E.G. Bushueva, B.E. Grinberg, V.A. Bataev, E.A. Drobyaz // Metal Science and Heat Treatment. ? 2019. ? Vol. 60, iss. 9–10. ? P. 641–644. ? doi: 10.1007/s11041-019-00331-3.
  17. Structure and properties of titanium surface layers after electron beam alloying with powder mixtures containing carbon / O.G. Lenivtseva, I.A. Bataev, M.G. Golkovskii, A.A. Bataev, V.V. Samoilenko, N.V. Plotnikova // Applied Surface Science. ? 2015. ? Vol. 355. ? P. 320–326. ? doi: 10.1016/j.apsusc.2015.07.043.
  18. Structure of surface layers produced by non-vacuum electron beam boriding / I.A. Bataev, A.A. Bataev, M.G. Golkovski, D.S. Krivizhenko, A.A. Losinskaya, O.G. Lenivtseva // Applied Surface Science. ? 2013. ? Vol. 284. ? P. 472–481. ? doi: 10.1016/j.apsusc.2013.07.121.
  19. Non-vacuum electron-beam carburizing and surface hardening of mild steel / I.A. Bataev, M.G. Golkovskii, A.A. Losinskaya, A.A. Bataev, A.I. Popelyukh, T. Hassel, D.D. Golovin // Applied Surface Science. ? 2014. ? Vol. 322. ? P. 6–14. ? doi: 10.1016/j.apsusc.2014.09.137.
  20. Formation of wear-resistant copper-bearing layers on the surfaces of steel substrates by non-vacuum electron beam acladding using powder mixtures / D.V. Lazurenko, G.I. Alferova, M.G. Golkovsky, K.I. Emurlaev, Y.Y. Emurlaeva, I.A. Bataev, T.S. Ogneva, A.A. Ruktuev, N.V. Stepanova, A.A. Bataev // Surface and Coatings Technology. ? 2020. ? Vol. 395. ? P. 1–14. ? doi: 10.1016/j.surfcoat.2020.125927.
  21. Cantor B. Multicomponent high-entropy Cantor alloys // Progress in Materials Science. ? 2021. ? Vol. 120. ? P. 1–36. ? doi: 10.1016/j.pmatsci.2020.100754.
  22. Nanomechanical behavior of CoCrFeMnNi high-entropy alloy / S. Mridha, S. Das, S. Aouadi, S. Mukherjee, R.S. Mishra // JOM Journal of the Minerals Metals and Materials Society. ? 2015. ? Vol. 67, iss. 10. ? P. 2296–2302. ? doi: 10.1007/s11837-015-1566-6.
  23. Mechanical properties and stacking fault energies of NiFeCrCoMn high-entropy alloy / A.J. Zaddach, C. Niu, C.C. Koch, D.L. Irving // JOM Journal of the Minerals Metals and Materials Society. ? 2013. ? Vol. 65, iss. 12. ? P. 1780–1789. ? doi: 10.1007/s11837-013-0771-4.
  24. The corrosion behavior of ultra-fine grained CoNiFeCrMn high-entropy alloys / Z. Han, W. Ren, J. Yang, A. Tian, Y. Du, G. Liu, R. Wei, G. Zhang, Y. Chen // Journal of Alloys and Compounds. ? 2020. ? Vol. 816. ? P. 1–10. ? doi: 10.1016/j.jallcom.2019.152583.
  25. Insights into the phase diagram of the CrMnFeCoNi high entropy alloy / M. Laurent-Brocq, A. Akhatova, L. Perrière, S. Chebini, X. Sauvage, E. Leroy, Y. Champion // Acta Materialia. ? 2015. ? Vol. 88. ? P. 355–365. ? doi: 10.1016/j.actamat.2015.01.068.
  26. Review of alloys developed using the entropy approach / Z. Bataeva, A. Ruktuev, I. Ivanov, A. Yurgin, I. Bataev // Metal Working and Material Science. ? 2021. ? Vol. 23, iss. 2. ? P. 116–146. ? doi: 10.17212/1994-6309-2021-23.2-116-146.
  27. Zaddach A.J., Scattergood R.O., Koch C.C. Tensile properties of low-stacking fault energy high-entropy alloys // Materials Science and Engineering: A. ? 2015. ? Vol. 636. ? P. 373–378. ? doi: 10.1016/j.msea.2015.03.109.
  28. Формирование улучшенных механических свойств высокоэнтропийного сплава Cantor / В.Е. Громов, Ю.А. Рубанникова, С.В. Коновалов, К.А. Осинцев , С.В. Воробьев // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. – 2021. – Т. 64 (8). – С. 599–605. – doi: 10.17073/0368-0797-2021-8-599-605.
  29. Transformation-enhanced strength and ductility in a FeCoCrNiMn dual phase high-entropy alloy / T. Zhang, R.D. Zhao, F.F. Wu, S.B. Lin, S.S. Jiang, Y.J. Huang, S.H. Chen, J. Eckert // Materials Science and Engineering: A. ? 2020. ? Vol. 780. ? P. 1–7. ? doi: 10.1016/j.msea.2020.139182.
  30. Microstructure, phase formation and physical properties of AlCoCrFeNiMn high-entropy alloy / S.A. Uporov, R.E. Ryltsev, V.A. Bykov, S.K. Estemirova, D.A. Zamyatin // Journal of Alloys and Compounds. ? 2020. ? Vol. 820. ? P. 1–8. ? doi: 10.1016/j.jallcom.2019.153228.
  31. Microstructures and mechanical properties of CoCrFeMnNiV high entropy alloy films / S. Fang, C. Wang, C.L. Li, J.H. Luan, Z.B. Jiao, C.T. Liu, C.H. Hsueh // Journal of Alloys and Compounds. ? 2020. ? Vol. 820. ? P. 1–8. ? doi: 10.1016/j.jallcom.2019.153388.
  32. Fabrication and mechanical properties of TiC reinforced CoCrFeMnNi high-entropy alloy composite by water atomization and spark plasma sintering / D. Yim, P. Sathiyamoorthi, S.J. Hong, H.S. Kim // Journal of Alloys and Compounds. ? 2019. ? Vol. 781. ? P. 389–396. ? doi: 10.1016/j.jallcom.2018.12.119.
  33. Synergistic strengthening of FeCrNiCo high entropy alloys via micro-TiC and nano-SiC particles / L. Shen, Y. Zhao, Y. Li, H. Wu, H. Zhu, Z. Xie // Materials Today Communications. ? 2021. ? Vol. 26. ? P. 1–7. ? doi: 10.1016/j.mtcomm.2020.101729.
  34. Microstructural evolution and mechanical characterization of a WC-reinforced CoCrFeNi HEA matrix composite / S.W. Hussain, M.A. Mehmood, M.R.A. Karim, A. Godfrey, K. Yaqoob // Scientific Reports. ? 2022. ? Vol. 12, iss. 1. ? P. 9822. ? doi: 10.1038/s41598-022-13649-5.
  35. Microstructure and wear properties of TiN–Al2O3–Cr2B multiphase ceramics in-situ reinforced CoCrFeMnNi high-entropy alloy coating / B. Zhang, Y. Yu, S. Zhu, Z. Zhang, X. Tao, Z. Wang, B. Lu // Materials Chemistry and Physics. ? 2022. ? Vol. 276. ? P. 125352. ? doi: 10.1016/j.matchemphys.2021.125352.
  36. Development and characterization of boride-reinforced CoCrFeNi composites / M.A. Mehmood, M. Mujahid, A. Godfrey, M.F. Zafar, K. Yaqoob // Journal of Alloys and Compounds. ? 2023. ? Vol. 947. ? P. 169535. ? doi: 10.1016/j.jallcom.2023.169535.
  37. Strengthening CoCrFeNi high-entropy alloy by Laves and boride phases / X. Chen, G. Qin, X. Gao, R. Chen, Q. Song, H. Cui // China Foundry. ? 2022. ? Vol. 19, iss. 6. ? P. 457–463. ? doi: 10.1007/s41230-022-1007-4.
  38. Structure and oxidation behavior of CoCrFeNiX (where X is Al, Cu, or Mn) coatings obtained by electron beam cladding in air atmosphere / A.A. Ruktuev, D.V. Lazurenko, T.S. Ogneva, R.I. Kuzmin, M.G. Golkovski, I.A. Bataev // Surface and Coatings Technology. ? 2022. ? Vol. 448. ? P. 128921. ? doi: 10.1016/j.surfcoat.2022.128921.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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».