Исследование структуры и механических свойств высокоэнтропийного сплава Al0.5Mo0.5NbTa0.5Ti1.5Zr

Investigation of structure and mechanical properties of the Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5Ti_1.5Zr high-entropy alloy

Nikita Yurchenko

Junior researcher Laboratory of Bulk Nanostructured Materials, NRU BelSU, Belgorod

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-38-00214 мол_а

Аннотация. Исследованы структура и механические свойства высокоэнтропийного сплава Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5Ti_1.5Zr. В литом состоянии и после отжига при Т=1400°С сплав состоит из оцк и В2 фаз. Отжиг приводит к увеличению прочности при Т=22°С с 1195 МПа до 1470МПа и падению пластичности с 11,6 до 0,6%, но не влияет на высокотемпературную прочность: при Т=800°С, пределы текучести литого и отожженного состояния равны 600 и 625 МПа, соответственно. Продемонстрировано хорошее соответствие между результатами термодинамического моделирования и экспериментальными данными.

Abstract. Structure and mechanical properties of the Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5Ti_1.5Zr high-entropy alloy were studied. In the as-cast state and after annealing at Т=1400°С, the alloy consists of bcc and B2 phases. Annealing increases the strength at Т=22°С from 1195 MPa to 1470 MPa and decreases the plasticity from 11.6 to 0.6%, but does not affect high-temperature strength: at Т=800°С, yield strengths of the as-cast and annealed states are equal to 600 and 625 MPa, respectively. A good correlation between results of thermodynamic modeling and experimental data was demonstrated.

Ключевые слова: высокоэнтропийные сплавы; структура; механические свойства; термодинамическое моделирование; фазовые превращения

Keywords: high-entropy alloys; structure; mechanical properties; thermodynamic modeling; phase transformations.

Введение

Концепция высокоэнтропийных сплавов (ВЭСов) – сплавов, состоящих из 5 и более элементов, взятых в эквиатомных концентрациях, - была предложена Yeh [1]в 2004 году и предполагала формирование в таких сплавах неупорядоченных твердых растворов вследствие высокой энтропии смешения. Однако, как было показано позже, высокая энтропия смешения не является ни достаточным, ни необходимым условием фазоообразования в данных сплавах [2]. Тем не менее, переход от традиционного подхода к созданию металлических сплавов на основе одного базового компонента к многокомпонентному легированию позволил получить композиции с высокими механическими свойствами [3]. В частности, в 2010 году были представлены ВЭСы на основе тугоплавких элементов, продемонстрировавшие высокую прочность вплоть до 1600°С [4]. Основной недостаток этих сплавов – высокую плотность (>10 г/см³) – было предложено устранить за счет использования более легких элементов с высокими температурами плавления (Cr, Ti, Nb, V, Zr), а также Al. В результате был разработан сплав AlMo_0.5NbTa_0.5TiZr с плотностью 7,4 г/см³ и структурой, состоящей из упорядоченной В2 матрицы и гомогенно распределенных в ней наноразмерных кубоидов неупорядоченной оцк фазы [5]. Такой микроструктурный дизайн обеспечил экстраординарную высокотемпературную прочность, но ограниченную пластичность в интервале температур 22-800°С. Очевидно, наличие упорядоченной В2 матрицы оказывает определяющее влияние на механические свойства сплава. Недавно было показано, что механическое поведение В2 фазы в ВЭСах на основе тугоплавких элементов сильно зависит от степени упорядочения, которая, свою очередь, меняется от содержания Al [6]. Уменьшение концентрации Al снижает степень упорядочения В2 фазы и, тем самым, повышает низкотемпературную пластичность. Вероятно, рост пластичности в сплаве AlMo_0.5NbTa_0.5TiZr также может быть достигнут за счет снижения концентрации Al, при этом пропорциональное увеличение Ti позволит сохранить плотность сплава в диапазоне 7-7,5 г/см³. Поэтому целью настоящего исследования было изучение структуры и механических свойств модифицированной композиции на основе системы Al-Mo-Nb-Ta-Ti-Zr, а именно сплава Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5Ti_1.5Zr.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 представлена расчетная диаграмма сплава Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5Ti_1.5Zr, полученная с помощью программного обеспечения Thermo-Calc и базы данных для высокоэнтропийных сплавов TCHEA2. Моделирование показывает, что сплав кристаллизуется через оцк_В2 фазу, обогащенную Ta, Mo и Nb, при Т=1618°С. При Т=1525°С начинается выделение оцк_В2#2 фaзы, обогащенной Zr, Ti и Al, а при Т=925°С - фазы Zr₅Al₃. При Т=1400°С – температуре гомогенизационного отжига сплава AlMo_0.5NbTa_0.5TiZr – согласно расчетной диаграмме, исследуемый сплав имеет двухфазную структуру с объемной долей фаз оцк_В2 и оцк_В2#2 равной 64 и 35%, соответственно.

Рисунок 1. Расчетная диаграмма сплава Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5Ti_1.5Zr

На рисунке 2 приведены рентгенограммы сплава Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5Ti_1.5Zr в литом состоянии и после отжига при Т=1400°С со скоростью нагрева и охлаждения 10°С/мин. Как в литом, так и в отожженном состояниях сплав Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5Ti_1.5Zr состоит из оцк и В2 фаз, что хорошо согласуется с данными термодинамического моделирования (рис. 1). Параметры кристаллических решеток оцк и В2 фаз находятся в интервале 0,3280-0,3290 нм и 0,3330-0,3346 нм, соответственно.

Рисунок 2. Рентгенограммы сплава Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5Ti_1.5Zr в литом состоянии и после отжига при 1400°С со скоростью нагрева и охлаждения 10°С/мин

На рисунке 3 показаны РЭМ-изображения микроструктуры сплава Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5Ti_1.5Zr в литом и отожженном состояниях. В литом состоянии наблюдается сильно выраженная дендритная структура. Дендриты (светлые области на рис. 3а) обогащены Ta, Mo и Nb, тогда как междендритные области (темные области на рис. 3а) - Zr, Ti и Al. После отжига при 1400°С формируется зеренная структура со средним размером 125 ± 65 мкм (рис. 3б). Внутри зерен можно наблюдать субзерна, структура границ которых похожа на структуру корзиночного плетения, обнаруженную ранее в сплаве AlMo_0.5NbTa_0.5TiZr [5]. Однако, в исследуемом сплаве размеры пластин несколько меньше, чем в сплаве AlMo_0.5NbTa_0.5TiZr, и равны 50 ± 10 нм.

а                                          б

Рисунок 3. РЭМ-изображения микроструктуры сплава Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5Ti_1.5Zr: a – в литом состоянии; б – после отжига при 1400°С со скоростью нагрева и охлаждения 10°С/мин

Исследование плотности сплава Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5Ti_1.5Zr методом гидростатического взвешивания показало хорошее совпадение экспериментальных (7,32 г/см³) и расчетных (по правилу смеси) данных (7,30 г/см³). Измерение микротвердости в литом состоянии и после отжига при 1400°С показало, что отжиг повышает микротвердость сплава с 495 HV до 745 HV.

На рисунке 4 представлены кривые напряжение-деформация, а в таблице 1 приведены данные по механическим свойствам, полученным в ходе испытаний на одноосное сжатие сплава Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5Ti_1.5Zr. При Т=22°С, сплав в литом состоянии показывает предел текучести, σ_0,2, равный 1195 МПа и разрушается при 1545 МПа, достигая 11,6% относительной деформации. Отожженный сплав при данной температуре показывает более высокий предел текучести (σ_0,2 = 1470 МПа), но крайне низкую пластичность – ε = 0,6%. При Т=800°С, оба состояния показывают практически одинаковые пределы текучести (~600 МПа) и могут быть продеформированы до заданной степени деформации (50%) без разрушения. Вид кривых напряжение-деформация также схож: в обоих состояниях присутствует стадия упрочнения с отчетливым пиком, сменяющаяся протяженной стадией разупрочнения.

Рисунок 4. Кривые напряжение-деформация сплава Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5Ti_1.5Zr в литом состоянии и после отжига 1400°С 10°С/мин

Таблица 1.

Механические свойства сплава Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5Ti_1.5Zr в литом состоянии и после отжига 1400°С 10°С/мин