vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"vsgiu-204Research ArticleМеталлургия и материаловедениеMetallurgy and Materials ScienceСТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВА ВЫСОКОЭНТРОПИЙНОГО СПЛАВА CrMnFeCoNi ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКИSTRUCTURAL-PHASE STATES AND PROPERTIES OF HIGH-ENTROPY CrMnFeCoNi ALLOY AFTER ELECTRON BEAM TREATMENThttps://orcid.org/0000-0003-4809-8660КоноваловСергей ВалерьевичKonovalovSergey V.

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технологии металлов и авиационного материаловедения

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Metal Technology and Aviation Materials Science

ksv@ssau.ruИвановЮрий ФедоровичIvanovYuri F.

д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник

Ph.D., Professor, Chief Researcher

yufi55@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5147-5343ГромовВиктор ЕвгеньевичGromovViktor E.

д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля

Ph.D., Professor, Head of the Department of Natural Sciences named after Professor V.M. Finkel

gromov@physics.sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5677-1427ШляроваЮлия АндреевнаShlyarovaYulia A.

аспирант кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля, научный сотрудник лаборатории электронной микроскопии и обработки изображений

Post-graduate student of the Department of Natural Sciences named after Professor V.M. Finkel, Researcher at the Laboratory of Electron Microscopy and Image Processing

rubannikova96@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7347-7681КондратоваОльга АнатольевнаKondratovaOlga A.

к.ф.-м.н., доцент кафедры прикладной математики и информатики

Ph.D., Associate Professor of the Department of Applied Mathematics and Computer Science

okondratova@mail.ruКирилловаАнна ВикторовнаKirillovaAnna V.

старший преподаватель кафедры технологии металлов и авиационного материаловедения

Senior Lecturer of the Department of Metal Technology and Aviation Materials Science

avkirillova76@mail.ruСамарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. КоролеваРоссияSamara National Research University. academician S.P. KorolevRussian FederationИнститут сильноточной электроники СО РАНRussian FederationInstitute of High-Current Electronics SB RASRussian FederationСибирский государственный индустриальный университетRussian FederationSiberian State Industrial UniversityRussian FederationСамарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. КоролеваRussian FederationSamara National Research University named after academician S.P. KorolevRussian Federation202217062025024756Copyright © Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Шлярова Ю.А., Кондратова О.А., Кириллова А.В., 20252025Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Шлярова Ю.А., Кондратова О.А., Кириллова А.В.Konovalov S., Ivanov Y., Gromov V., Shlyarova Y., Kondratova O., Kirillova A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibsiu.ru/jour/article/view/204

Для высокоэнтропийного сплава (ВЭС) CoCrFeMnNi неэквиатомного состава, полученного методом проволочно-дугового аддитивного производства (WAAM), сняты и проанализированы кривые деформации при растяжении образцов после изготовления и электронно-пучковой обработки (ЭПО). Установлены зависимости предела прочности и относительного удлинения, микротвердости от плотности энергии пучка электронов. Обнаружено, что уменьшение предела прочности и относительного удлинения усиливается с ростом плотности энергии пучка электронов. Выявлены ямочный характер излома и наличие микропор, микрорасслоений. Показаны области с полосовой (пластинчатой) структурой, площадь которой увеличивается с ростом плотности пучка электронов от 25 % при 10 Дж/см2 до 65 % при 30 Дж/см2. С ростом плотности энергии пучка электронов изменяется толщина расплавленного слоя в пределах 0,8 – 5,0 мкм, а средний размер ячеек кристаллизации увеличивается от 310 нм при 15 Дж/см2 до 800 нм при 30 Дж/см2. Установлено немонотонное изменение скалярной плотности дислокаций, достигающее максимального значения (примерно 5,5∙1010 см–2) на расстоянии 25 мкм от поверхности облучения. Показано, что в поверхностном слое формируется неразориентированная ячеистая дислокационная субструктура с размерами ячеек от 400 до 600 нм. При удалении от поверхности дислокационная субструктура меняется с ячеистой к ячеисто-сетчатой и на расстоянии 120 – 130 мкм к субструктуре исходного сплава с хаотическим распределением дислокаций. Высказано предположение, что дефекты, образующиеся в поверхностных слоях при ЭПО, могут быть одной из причин снижения предельных значений прочности и пластичности ВЭС.

For CoCrFeMnNi high-entropy alloy (HEA) of non-equiatomic composition, obtained by means of wire-arc additive manufacturing (WAAM), tensile strain curves of the samples after manufacturing and after electron beam processing (EBP) have been recorded and analyzed. Dependences of tensile strength and elongation, microhardness on electron beam energy density have been established. It has been found that decrease in ultimate strength and relative elongation increases with an increase in electron beam energy density. The dimple rapture and presence of micropores and microstratifications are revealed. Regions with a stripe (plate) structure are shown, the area of which increases with an increase in electron beam density from 25% at 10 J/cm2 to 65% at 30 J/cm2. With an increase in electron beam energy density, thickness of molten layer changes within (0.8 – 5.0) μm, and the average size of crystallization cells increases from 310 nm at 15 J/cm2 to 800 nm at 30 J/cm2. Nonmonotonic change in scalar density of dislocations has been established, reaching the maximum value (of ~5.5∙1010 cm-2) at a distance of 25 µm from the irradiation surface. It is shown that non-misoriented cellular dislocation substructure with cell sizes from 400 nm to 600 nm is formed in the surface layer. Moving away from the surface, dislocation substructure changes from cellular to cellular-reticular and, at distance of 120 – 130 μm, to the original alloy substructure with chaotic distribution of dislocations. It has been suggested that the defects formed in the surface layers during EBT may be one of the reasons for decreasing extreme values of strength and ductility of HEA.

импульсный электронный пучокВЭСэлементный составфазовый составдефектная субструктурасвойстваPulsed electron beamHEAelemental compositionphase compositiondefective substructurepropertiesReferencesGeorge E.P., Curtin W.A., Tasan C.C. High entropy alloys: A focused review of mechanical properties and deformation mechanisms // Acta Materialia. 2020. Vol. 188. Р. 435–474.George E.P., Curtin W.A., Tasan C.C. High entropy alloys: A focused review of mechanical properties and deformation mechanisms. Acta Materialia. 2020, vol. 188, pp. 435–474.Wu H., Huang S., Zhao C., Zhu H., Xie Z., Tu C., Li X. Microstructures and mechanical properties of in-situ FeCrNiCu high entropy alloy matrix composites reinforced with NbC particles // Intermetallics. 2020. Vol. 127. Article 106983.Wu H., Huang S., Zhao C., Zhu H., Xie Z., Tu C., Li X. Microstructures and mechanical properties of in-situ FeCrNiCu high entropy alloy matrix composites reinforced with NbC particles. Intermetallics. 2020, vol. 127, article 106983.Liu Y., Zhang Y., Zhang H., Wang N., Chen X., Zhang H., Li.Y. Microstructure and mechanical properties of refractory HfMo0,5NbTiV0,5Six high entropy compo-sites // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 694. P. 869–876.Liu Y., Zhang Y., Zhang H., Wang N., Chen X., Zhang H., Li.Y. Microstructure and me-chanical properties of refractory HfMo0,5NbTiV0,5Six high entropy compo-sites. Journal of Alloys and Compounds. 2017, vol. 694, pp. 869–876.Zhang Y., Han T., Xiao M., Shen Y. Effect of Nb content on microstructure and properties of laser cladding FeNiCoCrTi0,5Nbx high-entropy alloy coating // Optic. 2019. Vol. 198. Article 163316.Zhang Y., Han T., Xiao M., Shen Y. Effect of Nb content on microstructure and properties of laser cladding FeNiCoCrTi0,5Nbx high-entropy alloy coating. Optic. 2019, vol. 198, article 163316.Tabachnikova E.D., Shapovalov Yu.A., Smirnov S.N., Gorban V.F., Krapivka N.A., Firstov S.A. Low-temperature mechanical properties and thermally activated plasticity parameters of the CrMnFeCoNi2Cu high en-tropy alloy // Low Temperature Physics. 2020. Vol. 46. No. 9. P. 1131–1141.Tabachnikova E.D., Shapovalov Yu.A., Smirnov S.N., Gorban V.F., Krapivka N.A., Firstov S.A. Low-temperature mechanical properties and thermally activated plasticity parameters of the CrMnFeCoNi2Cu high en-tropy alloy. Low Temperature Physics. 2020, vol. 46, no. 9, pp. 1131–1141.Ремпель А.А., Гельчинский Б.Р. Высокоэнтропийные сплавы: получение, свойства, практическое применение // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 3-4. С. 248–253.Rempel' A.A., Gel'chinskii B.R. High-entropy alloys: obtaining, properties, practical application. Izvestia. Ferrous Metallurgy. 2020, vol. 63, no. 3-4, pp. 248–253. (In Russ.).Рогачев А.С. Структура, стабильность и свойства высокоэнтропийных сплавов // Физика металлов и металловедение. 2020. Т. 121. С. 807–841.Rogachev A.S. Structure, stability and properties of high-entropy alloys. Fizika metallov i metallovedenie. 2020, vol. 121, pp. 807–841. (In Russ.).Башев В.Ф., Кушнерев А.И. Структура и свойства литых и жидкозакаленных высо-коэнтропийных сплавов системы Al–Cu– –Fe–Ni–Si // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 1. С.42–50.Bashev V.F., Kushnerev A.I. Structure and properties of cast and liquid-heated high-entropy alloys of the Al–Cu–Fe–Ni–Si system. Fizika metallov i metallovedenie. 2017, vol. 118, no. 1, pp.42–50. (In Russ.).Miracle D.B., Senkov O.N. A critical review of high entropy alloys and related concepts // Acta Materialia. 2017. Vol. 122. P. 448–511.Miracle D.B., Senkov O.N. A critical review of high entropy alloys and related concepts. Acta Materialia. 2017, vol. 122, pp. 448–511.Осинцев К.А., Громов В.Е., Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф., Панченко И.А. ВЭС: структура, механические свойства, механизмы деформации и применение // Известия вузов. Черная металлургия. 2021. № 4. С. 1–8.Osintsev K.A., Gromov V.E., Konovalov S.V., Ivanov Yu.F., Panchenko I.A. WES: structure, mechanical properties, deformation mechanisms and application. Izvestia. Ferrous Metallurgy. 2021, no. 4, pp. 1–8. (In Russ.).Gromov V.Е., Konovalov S.V., Ivanov Yu.F., Osintsev K.A. Structure and properties of high-entropy alloys // Springer. Advanced structured materials. 2021. Vol. 107. P. 110.Gromov V.Е., Konovalov S.V., Ivanov Yu.F., Osintsev K.A. Structure and properties of high-entropy alloys. Springer. Advanced structured materials. 2021, vol. 107, pp. 110.Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Коновалов С.В. Шлярова Ю.А. Эволюция структуры AlCoCrFeNi высокоэнтропийного сплава при облучении импульсным электронным пучком // Журнал технической физики. 2021. Т. 91. № 12. С. 1971–1974.Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Konovalov S.V. Shlyarova Yu.A. Evolution of the AlCoCrFeNi structure of a high-entropy alloy under pulsed electron beam irradiation. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. 2021, vol. 91, no. 12, pp. 1971–1974. (In Russ.).Zhang T., Xin L., Wu F., Xiang Chen J., Jiang S., Huang Y., Chen S. Microstructure and mechanical of FexCoCrNiMn high-entropy alloys // Journal of Materials Science and Technology. 2019. Vol. 35. No. 10. P. 2331–2335.Zhang T., Xin L., Wu F., Xiang Chen J., Jiang S., Huang Y., Chen S. Microstructure and mechanical of FexCoCrNiMn high-entropy alloys. Journal of Materials Science and Technology. 2019, vol. 35, no. 10, pp. 2331–2335.Gludovatz B.A., Hohenwarter A., Catoor D., Chang E.H., George E.P., Ritchie R.O. Frac-ture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications // Science. 2014. Vol. 345. No. 6201. P. 1153–1158.Gludovatz B.A., Hohenwarter A., Catoor D., Chang E.H., George E.P., Ritchie R.O. Frac-ture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications. Science. 2014, vol. 345, no. 6201, pp. 1153–1158.Proskyrovsky D.I., Rotshtein V.P., Ozur G.E., Ivanov Y.F., Markov A.B. Physical foundations for surface treatment of materials with low energy, high current electron beams // Surface and Coatings Technology. 2000. Vol. 125. No 1-3. P. 49–56.Proskyrovsky D.I., Rotshtein V.P., Ozur G.E., Ivanov Y.F., Markov A.B. Physical foundations for surface treatment of materials with low energy, high current electron beams. Surface and Coatings Tech-nology. 2000, vol. 125, no 1-3, pp. 49–56.Valkov S., Ormanova M., Petrov P. Electron-beam surface treatment of metals and alloys: Techniques and trends // Metals. 2020. Vol. 10. No. 9. P. 1–20.Valkov S., Ormanova M., Petrov P. Electron-beam surface treatment of metals and alloys: Techniques and trends. Metals. 2020, vol. 10, no. 9, pp. 1–20.Konovalov S., Ivanov Y., Gromov V., Pan-chenko I. Fatigue-Induced Evolution of ALSI 310S Steel Microstructure after Electron Beam Treatment // Materials. 2020. Vol.13. No. 20. Article 4567.Konovalov S., Ivanov Y., Gromov V., Pan-chenko I. Fatigue-Induced Evolution of ALSI 310S Steel Microstructure after Electron Beam Treatment. Materials. 2020, vol.13, no. 20, article 4567.Konovalov S.V., Komissarova I.A., Kosiniv D.A., Ivanov Y.F., Gromov V.E.Structure of titanium alloy, modified by electron beams and destroyed during fatigue // Letters on Materials. 2017. Vol. 7. No. 3. P. 266–271.Konovalov S.V., Komissarova I.A., Kosiniv D.A., Ivanov Y.F., Gromov V.E.Structure of titanium alloy, modified by electron beams and destroyed during fatigue. Letters on Materials. 2017, vol. 7, no. 3, pp. 266–271.Lyu P., Peng T., Miao Y., Liu Z., Gao Q., Zhang C., Jin Y., Guan Q., Cai J. Microstructure and properties of CoCrFeNiMo0.2 high-entropy alloy en-hanced by high-current pulsed electron beam // Surface and Coatings Technology. 2021. Vol. 410. Article 126911.Lyu P., Peng T., Miao Y., Liu Z., Gao Q., Zhang C., Jin Y., Guan Q., Cai J. Microstructure and properties of CoCrFeNiMo0.2 high-entropy alloy en-hanced by high-current pulsed electron beam. Surface and Coatings Technology. 2021, vol. 410, article 126911.Cai J., Yao Y., Gao C., Lyu P., Meng X., Guan Q., Li Y., Han Z. Comparison of microstructure and oxidation behavior of NiCoCrAlYSi laser cladding coating before and after high-current pulsed electron beam modification // Journal of alloys and Compounds. 2021. Vol. 881. Article 160651.Cai J., Yao Y., Gao C., Lyu P., Meng X., Guan Q., Li Y., Han Z. Comparison of microstructure and oxidation behavior of NiCoCrAlYSi laser cladding coating before and after high-current pulsed electron beam modification. Journal of alloys and Compounds. 2021, vol. 881, аrticle 160651.Osintsev K., Gromov V., Ivanov Y., Konovalov S., Panchenko I., Vorobyev S. Evolution of structure in alcocrfeni high-entropy alloy irradiated by a pulsed electron beam // Metals. 2021. Vol. 11. Article 1228.Osintsev K., Gromov V., Ivanov Y., Konovalov S., Panchenko I., Vorobyev S. Evolution of structure in alcocrfeni high-entropy alloy irradiated by a pulsed electron beam. Metals. 2021, vol. 11, article 1228.ГОСТ 1497 – 84 Металлы. Методы испытаний на растяжение. М.: Стандартинформ, 2005. 24 с.GOST 1497 – 84 Metals. Tensile testing methods. Moscow: Standartinform, 2005, 24 p. (In Russ.).Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф. Наноструктурирование поверхности ме-таллокерамических и керамических материалов при импульсной электронно-пучковой обработке // Известия вузов. Физика. 2008. № 5. С. 60–70.Koval' N.N., Ivanov Yu.F. Nanostructuring of the surface of metal-ceramic and ceramic materials with pulsed electron-beam processing. Izvestiya vuzov. Fizika. 2008, no. 5, pp. 60–70. (In Russ.).Томас Г., Гориндж М.Дж. Просвечи-вающая электронная микроскопия материалов. М.: Наука, 1983. 320 с.Tomas G., Gorindzh M.Dzh. Transmission electron microscopy of materials. Moscow: Nauka, 1983, 320 p. (In Russ.).Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. Basel: Springer International Publishing, 2016. 196 р.Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. Basel: Springer International Publishing, 2016, 196 р.Kumar C.S.S.R. Transmission Electron Mi-croscopy. Characterization of Nano-materials. New York: Springer, 2014. 717 р.Kumar C.S.S.R. Transmission Electron Mi-croscopy. Characterization of Nano-materials. New York: Springer, 2014, 717 р.Carter C.B., Williams D.B. Transmission Electron Microscopy. Berlin: Springer International Publishing, 2016. 518 р.Carter C.B., Williams D.B. Transmission Electron Microscopy. Berlin: Springer International Publishing, 2016, 518 р.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.