Preview

Вестник Сибирского государственного индустриального университета

Расширенный поиск

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕКЛА ИЗ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВОВ: СВОЙСТВА, ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

https://doi.org/10.57070/2304-4497-2024-2(48)-10-22

Аннотация

Высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) – это твердые растворы, содержащие пять или более основных элементов, находящихся в сплаве в равных или почти в равных пропорциях (ат. %). Концепция таких сплавов открывает новые пути для создания необычных металлических материалов с уникальными физическими и механическими свойствами, которые невозможно получить в известных сплавах, в составе которых обычно один основной элемент. В отдельную группу можно выделить металлические стекла (МС) на основе высокоэнтропийных сплавов (МС ВЭС). Металлические стекла – это материал, полученный резкой закалкой ВЭС из жидкого состояния и поэтому такие стекла имеют аморфную стеклоподобную структуру. Основными составляющими элементами МС ВЭС могут быть цирконий, медь, железо, никель, хром, иттрий, церий. Эти материалы весьма перспективны для применения в промышленности из-за их превосходных механических свойств, таких как высокая прочность (близка к теоретической прочности), износостойкость, твердость, исключительные магнитные свойства. Формирование, кристаллизация и кинетика этих материалов являются предметом пристального изучения. Металлические стекла ВЭС более устойчивы, по сравнению с обычными МС, за счет высокой конфигурационной энтропии. В настоящей работе представлен краткий обзор работ отечественных и зарубежных исследователей по различным аспектам металлических стекол. Показано, что изучение свойств МС ВЭС может обеспечить прорыв и новые подходы в формировании и изучении новых систем ВЭС, а также в возможности потенциального применения этих новых материалов.

Об авторах

Чжан Пэй
Шанхайский совместный инновационный центр передовых лазерных производственных технологий 
Россия

доктор, профессор, Школа материаловедения и инженерии



Юрий Федорович Иванов
Институт сильноточной электроники СО РАН

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



Александр Петрович Семин
Сибирский государственный индустриальный университет

к.т.н., старший научный сотрудник, доцент кафедры инженерных конструкций, строительных технологий и материалов



Сергей Владимирович Боровский
Сибирский государственный индустриальный университет

научный сотрудник



Виктор Евгеньевич Громов
Сибирский государственный индустриальный университет

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



Виталий Владиславович Шляров
Сибирский государственный индустриальный университет

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



Список литературы

1. Chen Yu., Dai Z.-W., Jiang J.-Z. High entro-py metallic glasses: Glass formation, crystalli-zation and properties. Journal of Alloys and Compounds. 2021;866:158852.

2. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.158852

3. Рогачев А.С. Структура, стабильность и свойства высокоэнтропийных сплавов. Физика металлов и металловедение. 2020;121(8):807–841. https://doi.org/10.31857/S0015323020080094

4. Zhang M., Gong P., Li N., Zheng G., Deng L., Jin J., Li Q., Wang X. Oxidation behavior of a Ti16.7Zr16.7Hf16.7Cu16.7Ni16.7Be16.7 high-entropy bulk metallic glass. Materials Letters. 2019;236:135–138. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.10.056

5. Gong P., Li F., Deng L., Wang X., Jin J. Re-search on nano-scratching behavior of TiZrHfBeCu(Ni) high entropy bulk metallic glasses. Journal of Alloys and Compounds. 2020;817:153240. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.153240

6. Zhang L.T., Duan Y.J., Wada T., Kato H., Pelletier J.M., Crespo D., Pineda E., Qiao J.C. Dynamic mechanical relaxation behavior of Zr35Hf17.5Ti5.5Al12.5Co7.5Ni12Cu10 high entropy bulk metallic glass. Journal of Materi-als Science & Technology. 2021;83:248–255. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.11.074

7. Li M., Guan H., Yang S., Ma X., Li Q. Minor Cr alloyed Fe–Co–Ni–P–B high entropy bulk metallic glass with excellent mechanical prop-erties. Materials Science and Engineering: A. 2021;805:140542. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140542

8. Li N., Wu S., Ouyang D., Zhang J., Liu L. Fe-based metallic glass reinforced FeCoCrNiMn high entropy alloy through selective laser melting. Journal of Alloys and Compounds. 2020;822:153695. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.153695

9. Pang C.M., Yuan C.C., Chen L., Xu H., Guo K., He J.C., Li Y., Wei M.S., Wang X.M., Huo J.T., Shen B.L. Effect of Yttrium addi-tion on magnetocaloric properties of Gd-Co-Al-Ho high entropy metallic glasses. Journal of Non-Crystalline Solids. 2020;549:120354.

10. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2020.120354

11. Zhao Y., Zhao P., Li W., Kou S., Jiang J., Mao X., Yang Z. The microalloying effect of Ce on the mechanical properties of medium entropy bulk metallic glass composites. Crys-tals. 2019;9(9):483. https://doi.org/10.3390/cryst9090483

12. Yang Y., Liu C.T. Size effect on stability of shear-band propagation in bulk metallic glass-es: an overview. Journal of Materials Science. 2012;47:55–67. https://doi.org/10.1007/s10853-011-5915-8

13. Rashidi R., Malekan M., Gholamipour R. Crystalliza-tion kinetics of Cu47Zr47Al6 and (Cu47Zr47Al6)99Sn1 bulk metallic glasses. Journal of Non-Crystalline Solids. 2018;498:272–280. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2018.06.042

14. Shao L., Xue L., Wang Q., Ma K., Huang J., Shen B. Effects of Si addition on glass-forming ability and crystallization behavior of DyCoAl bulk metallic glass. Journal of Alloys and Compounds. 2021;874:159964.

15. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.159964

16. Lu S., Sun S., Li K., Li H., Huang X., Tu G. The effect of Y addition on the crystallization behaviors of Zr-Cu-Ni-Al bulk metallic glass-es. Journal of Alloys and Compounds. 2019;799:501–512. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.05.219

17. Rahvard M.M., Tamizifar M., Boutorabi S.M.A. The effect of Ag addition on the non-isothermal crystallization kinetics and fragility of Zr56Co28Al16 bulk metallic glass. Journal of Non-Crystalline Solids. 2018;481:74–84. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.10.026

18. Sohrabi S., Gholamipour R. Effect of Nb mi-nor addition on the crystallization kinetics of Zr-Cu-Al-Ni metallic glass. Journal of Non-Crystalline Solids. 2021;560:120731.

19. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2021.120731

20. Liu H., Jiang Q., Huo J., Zhang Y., Yang W., Li X. Crystallization in additive manufactur-ing of metallic glasses: A review. Additive Manufacturing. 2020;36:101568.

21. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101568

22. Pogatscher S., Leutenegger D., Schawe J.E.K., Maris P., Schäublin R., Uggowitzer P.J., Löffler J.F. Monotropic polymorphism in a glass-forming metallic alloy. Journal of Physics: Condensed Matter. 2018;30:234002.

23. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aac054

24. Kumar A., Nayak S.K., Bijalwan P., Dutta Mo., Banerjee A., Laha T. Optimization of mechanical and corrosion properties of plasma sprayed low-chromium containing Fe-based amorphous/nanocrystalline composite coating. Surface and Coatings Technology. 2019;370:255–268. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.05.010

25. Schawe J.E.K., Pogatscher S., Löffler J.F. Thermodynamics of polymorphism in a bulk metallic glass: Heat capacity measurements by fast differential scanning calorimetry. Ther-mochimica Acta. 2020;685:178518.

26. https://doi.org/10.1016/j.tca.2020.178518

27. Ketov S.V., Ivanov Yu.P., Şopu D., Louzguine-Luzgin D.V., Suryanarayana C., Rodin A.O., Schöberl T., Greer A.L., Eckert J. High-resolution transmission electron micros-copy investigation of diffusion in metallic glass multilayer films. Materials Today Ad-vances. 2019;1:100004. https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2019.01.003

28. Li Z., Huang Z., Sun F., Li X., Ma J. Forming of metallic glasses: mechanisms and process-es. Materials Today Advances. 2020;7:100077. https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2020.100077

29. Hu Z., Lei X., Wang Y., Zhang K. Oxidation feature and diffusion mechanism of Zr-based metallic glasses near the glass transition point. Materials Research Express. 2018;5:036511. https://doi.org/10.1088/2053-1591/aab309

30. Liu B.B., Hu L., Wang Z.Y., Ye F. Viscosity, relaxa-tion and fragility of the Ca65Mg15Zn20 bulk metal-lic glass. Intermetallics. 2019;109:8–15. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2019.03.002

31. He N., Song L., Xu W., Huo J., Wang J.-Q., Li R.-W. The evolution of relaxation modes during isothermal annealing and its influence on properties of Fe-based metallic glass. Jour-nal of Non-Crystalline Solids. 2019;509:95–98.

32. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2018.12.035

33. Louzguine-Luzgin D.V., Zadorozhnyy M.Yu., Ketov S.V., Jiang J., Golovin I.S., Aronin A.S. Influence of cyclic loading on the struc-ture and double-stage structure relaxation be-havior of a Zr-Cu-Fe-Al metallic glass. Mate-rials Science and Engineering: A. 2019;742:526–531. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.11.031

34. Wang W.H. Dynamic relaxations and relaxa-tion-property relationships in metallic glasses. Progress in Materials Science. 2019;106:100561. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2019.03.006

35. Das A., Derlet P.M., Liu C., Dufresne E.M., Maaß R. Stress breaks universal aging behav-ior in a metallic glass. Nature Communica-tions. 2019;10:5006.

36. https://doi.org/10.1038/s41467-019-12892-1

37. Zhang L.T., Duan Y.J., Wada T., Kato H., Pelletier J.M., Crespo D., Pineda E., Qiao J.C. Dynamic mechanical relaxation behavior of Zr35Hf17.5Ti5.5Al12.5Co7.5Ni12Cu10 high entropy bulk metallic glass. Journal of Materi-als Science & Technology. 2021;83:248–255. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.11.074

38. Zhang Y.R., Zhang W., Xiang Q.C., Li Q.F., Ren Y.L., Qiu K.Q. Relating activation of brittle-to-ductile transition to β relaxation in Cu46Zr44Al7Y3 metallic glass. Journal of Non-Crystalline Solids. 2020;544:120189.

39. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2020.120189

40. Cheng Y.T., Hao Q., Qiao J.C., Crespo D., Pineda E., Pelletier J.M. Effect of minor addi-tion on dynamic mechanical relaxation in ZrCu-based metallic glasses. Journal of Non-Crystalline Solids. 2021;553:120496. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2020.120496

41. Qiao J.C., Cong J., Wang Q., Pelletier J.M., Yao Y. Effects of iron addition on the dynam-ic mechanical relaxation of Zr55Cu30Ni5Al10 bulk metallic glasses. Journal of Alloys and Compounds. 2018;749:262–267.

42. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.03.285

43. Qiao J., Pelletier J.-M., Casalini R. Relaxation of bulk metallic glasses studied by mechanical spectroscopy. Journal of Physical Chemistry B. 2013;117(43):13658–13666. https://doi.org/10.1021/jp4067179

44. Zhang W., Xiang Q.C., Ma C.Y., Ren Y.L., Qiu K.Q. Relaxation-to-rejuvenation transi-tion of a Ce-based metallic glass by quench-ing/cryogenic treatment performed at sub-Tg. Journal of Alloys and Compounds. 2020;825:153997. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.153997

45. Qiao J.C., Chen Y.H., Casalini R., Pelletier J.M., Yao Y. Main α relaxation and slow β re-laxation processes in a La30Ce30Al15Co25 metallic glass. Journal of Materials Science & Technology. 2019; 35(6):982–986.

46. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2018.12.003

47. Zhai W., Wang C.H., Qiao J.C., Pelletier J.M., Dai F.P., Wei B. Distinctive slow β relaxation and structural heterogeneity in (LaCe)-based metallic glass. Journal of Alloys and Com-pounds. 2018;742:536–541.

48. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.01.237

49. Michalik S., Michalikova J., Pavlovic M., So-vak P., Liermann H.-P., Miglierini M. Struc-tural modifications of swift-ion-bombarded metallic glasses studied by high-energy X-ray synchrotron radiation. Acta Materialia. 2014;80:309–316. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.07.072

50. Lu Z., Zhang Y., Li W., Wang J., Liu X., Wu Y., Wang H., Ma D., Lu Z. Materials genome strategy for metallic glasses. Journal of Mate-rials Science & Technology. 2023;166:173–199. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.04.074

51. Lv Z., Yuan C., Ke H., Shen B. Defects acti-vation in CoFe-based metallic glasses during creep deformation. Journal of Materials Sci-ence & Technology. 2021;69:42–47. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.08.012

52. Wang T., Ma X., Chen Y., Qiao J., Xie L., Li Q. Structural heterogeneity originated plastici-ty in Zr–Cu–Al bulk metallic glasses. Interme-tallics. 2020;121:106790.

53. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2020.106790

54. Cui X., Qiao J.C., Li J.J., Meng L.Z., Guo J., Zu F.Q., Zhang X.F., Bian B.C., Zhang Q.D., Ma Y.B. Room temperature activated slow β relaxation and large compressive plasticity in a LaCe-based bulk metallic glass. Intermetallics. 2020:122:106793. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2020.106793

55. Song L., Xu W., Huo J., Wang J.-Q., Wang X., Li R. Two-step relaxations in metallic glasses during isothermal annealing. Interme-tallics. 2018;93:101–105. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2017.11.016

56. Pan J., Wang Y.X., Guo Q., Zhang D., Greer A.L., Li Y. Extreme rejuvenation and soften-ing in a bulk metallic glass. Nature Communi-cations. 2018; 9:560.

57. https://doi.org/10.1038/s41467-018-02943-4

58. Zhu Y., Wang H., Wu L., Li M. Development of one-dimensional periodic packing in metallic glass spheres. Scripta Materialia. 2020;177:132–136. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.10.026

59. Lou H., Zeng Z., Zhang F., Chen S., Luo P., Chen X., Ren Y., Prakapenka V.B., Prescher C., Zuo X., Li T., Wen J., Wang W.-H., Sheng H., Zeng Q. Two-way tuning of struc-tural order in metallic glasses. Nature Commu-nications. 2020;11:314.

60. https://doi.org/10.1038/s41467-019-14129-7

61. Michalik Š., Jóvári P., Saksl K., Ďurišin M., Balga D., Darpentigny J., Drakopoulos M. Short range order and crystallization of Cu–Hf metallic glasses. Journal of Alloys and Com-pounds. 2021;853:156775.

62. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156775

63. Feng S., Fu H., Zhou H., Wu Y., Lu Z., Dong H. A general and transferable deep learning framework for predicting phase formation in materials. Computational Materials. 2021;7:10. https://doi.org/10.1038/s41524-020-00488-z

64. Zheng J., Zhang H., Miao Y., Chen S., Vlassak J.J. Temperature-resistance sensor ar-rays for combinatorial study of phase transi-tions in shape memory alloys and metallic glasses. Scripta Materialia. 2019;168:144–148.

65. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.04.027

66. Cao C.R., Huang K.Q., Shi J.A., Zheng D.N., Wang W.H., Gu L., Bai H.Y. Liquid-like be-haviours of metallic glassy nanoparticles at room temperature. Nature Communications. 2019:1966. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09895-3

67. Chen E.-Y., Peng S.-X., Peng L., Michiel M.D., Vaughan G.B.M., Yu Y., Yu H.-B., Ruta B., Wei S., Liu L. Glass-forming ability correlated with the liquid-liquid transition in Pd42.5Ni42.5P15 alloy. Scripta Materialia. 2021;193:117–121.

68. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.10.042

69. Xie X., Lo Y.-C., Tong Y., Qiao J., Wang G., Ogata S., Qi H., Dahmen K.A., Gao Y., Liaw P.K. Origin of serrated flow in bulk metallic glasses. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2019;124:634–642.

70. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2018.11.015

71. Adjaoud O., Albe K. Microstructure formation of metallic nanoglasses: Insights from mo-lecular dynamics simulations. Acta Materialia. 2018;145:322–330. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.12.014

72. Adjaoud O., Albe K. Influence of microstruc-tural features on the plastic deformation be-havior of metallic nanoglasses. Acta Materi-alia. 2019;168:393–400. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.02.033

73. Wang C., Mu X., Chellali M.R., Kilmametov A., Ivanisenko Yu., Gleiter H., Hahn H. Tun-ing the Curie temperature of Fe90Sc10 nano-glasses by varying the volume fraction and the composition of the interfaces. Scripta Materi-alia. 2019;159:109–112. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2018.09.025

74. Maaß R. Beyond serrated flow in bulk metallic glasses: what comes next? Metallurgical and Materials Transactions A. 2020;51:5597–5605. https://doi.org/10.1007/s11661-020-05985-w

75. Ibrahim M.Z., Sarhan A.A.D., Kuo T.Y., Yusof F., Hamdi M. Characterization and hardness enhancement of amorphous Fe-based metallic glass laser cladded on nickel-free stainless steel for biomedical implant applica-tion. Materials Chemistry and Physics. 2019;235:121745. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.121745

76. Escher B., Kaban I., Kühn U., Eckert J., Pauly S. Stability of the B2 CuZr phase in Cu-Zr-Al-Sc bulk metallic glass matrix composites. Journal of Alloys and Compounds. 2019;790:657–665. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.03.139

77. Schultz L.E., Afflerbach B., Szlufarska I., Morgan D. Molecular dynamic characteristic temperatures for predicting metallic glass forming ability. Computational Materials Sci-ence. 2022;201:110877. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.110877

78. Ali Rafique M.M. Bulk Metallic Glasses and Their Composites: Additive Manufacturing and Modeling and Simulation. Berlin. Boston: De Gruyter. 2021.

79. https://doi.org/10.1515/9783110747232


Рецензия

Для цитирования:


Пэй Ч., Иванов Ю.Ф., Семин А.П., Боровский С.В., Громов В.Е., Шляров В.В. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕКЛА ИЗ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВОВ: СВОЙСТВА, ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ. Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2024;(2):10-22. https://doi.org/10.57070/2304-4497-2024-2(48)-10-22

For citation:


Peilei Zh., Ivanov Yu., Semin A., Borovskii S., Gromov V., Shlyarov V. METAL GLASSES MADE OF HIGH-ENTROPY ALLOYS: PROPERTIES, FEATURES OF PRODUCTION AND USE. Bulletin of the Siberian State Industrial University. 2024;(2):10-22. (In Russ.) https://doi.org/10.57070/2304-4497-2024-2(48)-10-22

Просмотров: 52


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2304 - 4497 (Print)
ISSN 2307-1710 (Online)