Исследование и разработка неэквиатомных высокоэнтропийных сплавов системы Al-Cr-Fe-Ni-Mn для конструкционных применений

Цель исследования - установление взаимосвязей между составом сплавов, их структурой, механическими свойствами. На данном этапе работы исследованы структура и механические свойства высокоэнтропийных сплавов системы Al-Cr-Fe-Ni-Mn различного состава. Установлено влияние хрома на структуру сплавов Fe₄₀Mn₂₈Ni₃₂₋ₓCrₓ (x = 0, 4, 8, 12, 18, 24) (состав сплавов указан в ат.%). Установлено, что сплавы с низким содержанием хрома (от 0 до 12 ат.%) имеют однофазную структуру твердого раствора с ГЦК-решеткой, тогда как сплав Fe₄₀Mn₂₈Ni₈Cr₂₄ имеет однофазную, двухфазную структуру с высокой объемной долей интерметаллидной сигма-фазы, обогащенной хромом. Повышение склонности к образованию сигма-фазы с увеличением содержания хрома соответствует результатам термодинамического моделирования равновесных фазовых диаграмм сплавов. В сплаве Fe₄₀Mn₂₈Ni₁₄Cr₁₈ содержание сигма-фазы зависит от температуры отжига. Так, после отжига при 1000°С сплав имеет однофазную структуру ГЦК твердого раствора, после отжига при 850°С в сплаве наблюдаются мелкие (размером 0,1 - 1 мкм) частицы сигма-фазы с объемной долей около 5%. С дальнейшим понижением температуры отжига до 700° размер частиц сигма-фазы возрастает до 1 - 3 мкм, а объемная доля - до 15%. Зависимость фазового состава сплава от температуры качественно соответствует равновесной фазовой диаграмме сплава. Показано, что прочность сплавов Fe₄₀Mn₂₈Ni₃₂₋ₓCrₓ (x = 0, 4, 8, 12) с малым (не вызывающим образование сигма-фазы) содержанием хрома практически не зависит от содержания хрома. Так, после холодной прокатки и отжига при 850°С предел текучести сплавов составляет 210 - 235 МПа, а предел прочности 545 - 575 МПа. Установлено, что предел текучести сплавов Fe₄₀Mn₂₈Ni₃₂₋ₓCrₓ (x = 0, 4, 8, 12) слабо коррелирует с предсказываемым твердорастворным упрочнением. Показано, что механическое поведение сплава Fe₄₀Mn₂₈Ni₁₄Cr₁₈ обусловливается его структурой, в том числе фазовым составом. Механические свойства также зависят от содержания сигма-фазы: при ее объемной доле в 15% сплав демонстрирует низкую пластичность (8%), но высокую прочность (810 МПа), тогда как снижение объемной доли сигма-фазы до 5% резко повышает пластичность до 54% и снижает прочность до 310 МПа. Показано, что увеличение содержания марганца в сплава Fe₆₀₋ₓMnₓNi₆Cr₁₄ (x = 20, 30, 40) приводит к формированию и росту содержания интерметаллидной сигма-фазы, объемная доля которой составляет 3 и 19% соответственно в сплавах Fe₅₀Mn₃₀Ni₆Cr₁₄ и Fe₄₀Mn₄₀Ni₆Cr₁₄. Сплав Fe₆₀Mn₂₀Ni₆Cr₁₄ имеет однофазную ГЦК-структуру. Сплав Fe₆₀Mn₂₀Ni₆Cr₁₄ в рекристаллизованном состоянии демонстрирует предел текучести 205 МПа, предел прочности 625 МПа и относительное удлинение 110%. Показано, что в сплаве Fe₃₆Mn₂₁Cr₁₈Ni₁₅Al₁₀ формируется двухфазная структура, состоящая из матричного ОЦК твердого раствора и равномерно распределенных частиц упорядоченной B2-фазы кубической формы со средним размером 160 нм и объемной долей 50%. Матрица обогащена хромом и железом, а частицы - алюминием и никелем. Установлено, что сплав Fe₃₆Mn₂₁Cr₁₈Ni₁₅Al₁₀ демонстрирует высокую прочность (предел прочности на растяжение около 900 МПа) при температурах от комнатной до 400°С включительно. С дальнейшим увеличением температуры испытаний наблюдается снижение прочности. Показано, что после отжига при 1000°С в сплаве Fe₃₆Mn₂₁Cr₁₈Ni₁₅Al₁₀ дополнительно к ОЦК- и B2-фазам формируются крупные частицы ГЦК-фазы, обогащенные железом и марганцем. Фазовые превращения в сплаве удовлетворительно описываются равновесной фазовой диаграммой, полученной при помощи термодинамического моделирования. Разрабатываемые сплавы могут найти применение в транспортном и энергетическом машиностроении. Впервые показана возможность создания экономнолегированного высокоэнтропийного сплава с высокими прочностными свойствами при повышенных температурах.