Перспективные методы изготовления и механизм упрочнения объемного высокопрочного пластичного высокоэнтропийного сплава на основе CrCoNi.

В результате проведенного исследования показано, что концентрации Mn и Fe в сплаве CoCrFexMn(40-x)Ni варьировались одновременно в диапазоне от х = 5 до х = 35 с шагом 1 ат. %. В качестве ключевого физического параметра была выбрана концентрация валентных электронов (КВЭ), которая определяет фазовую стабильность для формирования ГЦК и ОЦК твердых растворов. Образование однофазного твердого раствора на основе ГЦК фазы прогнозируется в сплаве при 20≤х≤35 ат. %. Механическая смесь на основе двух фаз ГЦК и ОЦК прогнозируется при 5≤х≤20 ат. %. Показано, что при увеличении концентрации Fe от 5 до 35 ат. % и взаимном уменьшении концентрации Mn структура сплава изменяется из двухфазной ОЦК+ГЦК в однофазную ГЦК.В соответствии с рассчитанным составом были выплавлены слитки следующего состава: CoCrFexMn(40-x)Ni, где х = 5, 10, 15, 25, 30, 35. Анализ на наличие концентрационной неоднородности проводился с помощью методов и путем анализа элементного состава в образцах, полученных с разных частей слитков. Значительной концентрационной неоднородности не наблюдается. Анализ механических свойств показал, что предел прочности сплавов системы Co- Cr-Fe-Mn-Ni варьируется в среднем от 420 МПа до 495 МПа, причем наибольший предел текучести (495 МПа) наблюдается для сплава CoCrFe15Mn25Ni. Что касается условного предела текучести, то максимальное значение условного предела текучести (243 МПа) наблюдается для сплава CoCrFe15Mn25Ni. С помощью ПЭМ в сплавах выявлено образование двойников и скоплений двойни- кующих дислокаций. Увеличение содержания Mn в составе сплава приводит к изменению дефектной структуры сплава. Это следует из анализа микроструктуры сплава CoCrFe30Mn10Ni, которая содержит скопления изогнутых дислокаций. Дальнейшее увеличение концентрации Mn и уменьшение содержания Fe в составе сплава способствуют возрастанию плотности дислокаций и формированию дислокационных конфигураций типа сеток. Также на изображениях микроструктуры сплава обнаружены отдельные протяженные участки, образованные скоплениями дойников. Последующее увеличение содержания Mn в сплавах приводит к дальнейшим изменениям ДСС материалов. Дислокации становятся более вытянутыми и образуют обширные скопления близи границ и в объеме отдельных зерен. Дислокационные взаимодействия приводят к формированию различных дефектных структур типа сплетений, сеток. Показано, что наилучшими показателями износостойкости обладает образцы сплава CoCrFe10Mn30Ni, а худшими - CoCrFe5Mn35Ni. Анализ результатов испытаний на нанотвердость и модуль Юнга показал, что наибольшая нанотвердость и наибольший модуль Юнга наблюдается у сплава СoCrFe5Mn35Ni. Изменение содержания элементов не приводит к существенному изменению твердости, тогда как различия в модуле Юнга достигают до 50%. По-видимому, такое изменение модуля Юнга связан с соответствующими изменениями в структуре сплава. Минимальный модуль Юнга установлен для сплава СoCrFe15Mn25Ni. Наиболее высокие значения нанотвердости продемонстрировали сплавы СoCrFe35Mn5Ni и СoCrFe5Mn35Ni, что подтверждается данными проведенных испытаний твердости и микротвердости. Повышенные механические свойства данных сплавов, могут быть обусловлены как повышением содержания марганца до 35 at. %, для сплава СoCrFe5Mn35Ni, так и наличием упрочняющих фаз, приведенных на рентгенофазовом анализе для сплава СoCrFe35Mn5Ni. Выполнен анализ фазового состава. Сплавы системы CoCrFeMnNi в литом состоя- нии представляют собой однофазный твердый раствор с ГЦК-решеткой, что полностью соответствует результатам исследований, выполненным по эквиатомным сплавам. Проведен анализ неметаллических включений по глубине исследуемой области (оксиды Mn2O3). Методами СЭМ выявлено, что в сплаве СoCrFe30Mn10Ni наблюдаются дендриты первого и второго порядка, также как и в сплаве СoCrFe10Mn30Ni. Отмечено наибольшее содержание марганца в районе 19 ат. % и наименьшее содержание железа равное 22 ат.% на границе пересечении дендрита первого и второго порядка. Методом элементного картирования выявлено присутствие кремния, так и отсутствие его содержания. Кремний в большинстве случаев формирует включения округлой формы, пластины в объеме зерен, прослойки по границам зерен. Можно предположить, что данное различие обусловлено различием в концентрации химических элементов исследованных материалов на уровне отдельных зерен. Отмечено выделение ряда неметаллических включений размером от 5 до 15 мкм с выделением Mn2O3. Методом ПЭМ показано, что наибольшие значения плотности дислокаций было обнаружено в сплавах CoCrFe25Mn15Ni (1,1·10Е10 см-2) и CoCrFe10Mn30Ni (7·10Е9 см-2), а наименьшее в сплаве CoCrFe35Mn5Ni (1·10Е8 см-2). При анализе экстинкционных контуров, используемых для определения полей внутренних напряжений, было установлено, что в материале они практически минимальны, что свидетельствует также о минимальных полях внутренних напряжений вне зависимости от состава исследуемых сплавов. Результаты первопринципного моделирования показали, что полученные значения энергии формирования являются отрицательными для сплавов CoCrFe40-xMnxNi (x = 5, 10, 15, 20 ат. %), имеющих ГЦК кристаллическую решетку и свидетельствуют о том, что данные структуры являются стабильными при температуре 0 К. Полученные данные коррелируют с результатами, полученными с помощью прогнозирования фазового состава на основе расчетов феноменологических параметров. Наибольшей термодинамической стабильностью обладает эквиатомная композиция, значение энергии формирования которой равно -18,8658 эВ/атом. При увеличении содержания Fe и одновременном уменьшении содержания Mn на 5 ат.% происходит увеличение энергии формирования на 0,24 эВ/атом, по сравнению с эквиатомным составом для сплавов CoCrFe40-xMnxNi. Исходя из полученных результатов оптимизации параметров суперячеек, наибольший объем и наименьшую плотность имеет эквиатомный сплав CoCrFeMnNi. При увеличении содержания Fe и одновременном уменьшении содержания Mn объем суперячеек уменьшается, а их плотность, соответственно, увеличивается. При изменении объема су- перячейки, вместе с этим изменялось значение энергии основного состояния. Исходя из этого, рассчитывалась энергия формирования, которая показывает, является ли более термодинамически выгодным сохранение этой кристаллической решетки или нет. При увеличении содержания Fe с 20 до 35 ат. % и одновременном уменьшении содержания Mn с 20 до 5 ат. % энергия формирования увеличивается на 3%. На основе рассчитанных значений упругих постоянных были рассчитаны модуль Юнга и модуль сдвига, которые являются свойствами, характеризующими поликристаллический материал. Наименьшее значение модуля Юнга и модуля сдвига получено для эквиатомного сплава. При увеличении содержания Fe и одновременном уменьшении содержания Mn величина модуля Юнга и модуля сдвига растет не более чем на 6 %. По результатам этапа проекта сделаны доклады на 3х конференциях. Оправлены в журналы, индексируемые в Web of Science или Scopus 3 статьи и 1 публикация в РИНЦ.