Получение и исследование недорогих наноструктурированных высокоэнтропийных сплавов посредством интенсивной пластической деформации

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-29-00740

НазваниеПолучение и исследование недорогих наноструктурированных высокоэнтропийных сплавов посредством интенсивной пластической деформации

Руководитель Працкова Светлана Евгеньевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" , Челябинская обл

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова Высокоэнтропийные сплавы, материалы для машиностроения, интенсивная пластическая деформация, свойства, структура

Код ГРНТИ53.49.09

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью предлагаемого исследования является разработка недорогих наноструктурированных высокоэнтропийных сплавов (НсВЭС), полученных методом интенсивной пластической деформации (ИПД). В течение последних двух десятилетий ведутся работы по созданию высокоэнтропийных сплавов (ВЭС), которые, как ожидается, смогут превзойти традиционные сплавы по своим свойствам и по требуемой в современном машиностроении надежности деталей. В предлагаемой работе планируется впервые в мире получить недорогие (low-cost) НсВЭС с использованием одной из разновидностей процессов ИПД – процесса циклической штамповки в замкнутом объёме (CCDF). Возможность создания НсВЭС предполагается исследовать на нескольких системах ВЭС. Целью процессов ИПД для создания ультрамелкозернистого (УМЗ) металла является производство деталей из высокопрочного металла, позволяющего увеличить безопасность и надежность деталей. Процесс CCDF – это метод, который позволяет получать материалы с очень мелкими зернами, включая зёрна наноразмера из промышленных марок сплавов. Он может осуществляться в широком диапазоне температур (20–950 °С) с использованием специализированных конструкций пресс-форм и нагревателей и позволяет деформировать заготовки гораздо больших размеров и объемов по сравнению с многими другими методами ИПД. Свойства полученных образцов НсВЭС будут оценены с точки зрения создания деталей машиностроения. Уровень и объем предлагаемой работы соответствуют требованиям современного развития науки в данной области (о чем свидетельствуют результаты изучения литературы, относящейся к области предлагаемого исследования).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Настоящее исследование посвящено получению ВЭС с высоким содержанием железа, обладающих сверхвысокой твёрдостью и исключительной износостойкостью при комнатной температуре. Исследование основано на изучении влияния CCDF на новые экономичные сплавы Fe₅₀₋₂ₓNi₂₅Cr₂₅MoₓAlₓ (x = 5, 10 ат.%), [FeNi]₇₅₋ₓCr₁₅Mn₁₀Nbₓ (x = 0, 5, 10 ат.%), Fe₅₀₋₂ₓMn₃₀Co₁₀Cr₁₀NiₓCuₓ (x = 0, 5 ат.%) и AlCrFeNi₃.₁ (AlCrFe₂Ni₂.₁, AlCoCrFeNi₂.₁), разработанных с использованием метода CALPHAD (Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry). Результаты исследования послужат теоретической основой для применения экономичных ВЭС в машиностроении. Слитки железосодержащих ВЭС были получены из порошков и кусков высокочистых (>99,9%) исходных металлов методом вакуумной плавки. Металлические порошки/куски взвешивали, тщательно перемешивали в агатовой ступке и загружали в тигель из оксида алюминия. Плавка проводилась в вакуумной печи при 1400–1450 °C для систем [FeNi]₇₅₋ₓCr₁₅Mn₁₀Nbₓ (x = 0, 5, 10 ат.%) и Fe₅₀₋₂ₓMn₃₀Co₁₀Cr₁₀NiₓCuₓ (x = 0, 5 ат.%) и при 1600–1650 °C для систем Fe₅₀₋₂ₓNi₂₅Cr₂₅MoₓAlₓ (x = 5, 10 ат.%) и AlCrFeNi₃.₁ (AlCrFe₂Ni₂.₁, AlCoCrFeNi₂.₁). Полученные литые цилиндрические слитки подвергались гомогенизирующему отжигу при 900 °C в течение 10 часов с последующей закалкой на воздухе. Затем сплавы разрезали на заготовки размером 30 мм (длина) × 30 мм (ширина) × 20 мм (высота). Деформация методом CCDF проводилась при комнатной температуре в шесть проходов, с суммарной эквивалентной деформацией 4,8 (эквивалентная деформация за один проход – 0,8). После каждого прессования заготовку поворачивали на 90° вокруг оси Z и снова устанавливали в нижнюю матрицу. Прессование проводилось со скоростью 15 мм/с; образцы и штампы смазывались графитом. Микроструктура неэквиатомных железосодержащих ВЭС исследовалась с помощью следующих методов: (i) сканирующей электронной микроскопии с полевой эмиссией (FE-SEM, JEOL JSM-7001F, Япония) с энергодисперсионным спектрометром (EDS, Oxford INCA X-max 80, Oxford Instruments, Великобритания); (ii) просвечивающей электронной микроскопии (TEM, JEM-1200 JEOL, Япония) с дифракцией на выбранной области (SAD); (iii) рентгенофазового анализа (XRD, Rigaku, Япония) с использованием монохроматического излучения CuKα. Тонкие образцы для TEM готовили методом ионного травления с помощью системы фокусированного ионного пучка (FIB). Макротекстуру образцов оценивали методом XRD (Rigaku) в режиме обратного рассеяния, измеряя парциальные полюсные фигуры (PF) для плоскостей (111), (200) и (220) на площади 10 мм × 10 мм. Полученные данные анализировали с помощью программного обеспечения Philips X’Pert Texture. Твёрдость измеряли на микротвердомере Виккерса FM-800 с нагрузкой 300 г и выдержкой 15 с. Испытания на износ проводили на литых, гомогенизированных и обработанных CCDF образцах в контролируемых условиях (относительная влажность 65 ± 10%) с использованием испытательной машины трения «штифт-диск» (WAZAU, TRM250, Германия) при комнатной температуре без смазки в соответствии со стандартом ASTM G99-95. Цилиндрические штифты (20 мм длина, 5 мм диаметр), изготовленные из кованых заготовок, скользили по закалённой стали AISI 52100 (диаметр 100 мм, твёрдость 62–65 HRC). Ось штифта была перпендикулярна направлению движения. Путь скольжения составлял 500 м, нормальная сила – 24 Н, скорость скольжения – 0,24 м/с. Коэффициент трения регистрировался непрерывно и автоматически. Объём износа рассчитывали, как произведение площади поперечного сечения штифта на изменение его высоты. Скорость износа определяли, как отношение объёма износа к пути скольжения. Для каждого образца проводили три испытания, и приводили средние значения. Морфологию изношенной поверхности исследовали методом FE-SEM (MIRA3 TESCAN) без удаления загрязнений. Микроструктурный анализ результатов первого года проекта показал, что при достаточно большом числе проходов CCDF образуются однородные зёрна и мелкие субзёрна, что приводит к измельчению и гомогенизации микроструктуры. С увеличением числа проходов CCDF доля мелких зёрен возрастает, а доля крупных – уменьшается. Таким образом, уменьшение размера зёрен в обработанных CCDF ВЭС демонстрирует эффективность данного метода для получения наноструктурированных ВЭС. Измельчение зёрен методом CCDF повышает сопротивление адгезии и значительно снижает адгезионный износ за счёт изменения характера пластической деформации. Измельчение зёрен при ИПД является ключевым фактором повышения износостойкости ВЭС. Морфология литых дендритов и объёмная доля второй фазы также существенно влияют на механические и износостойкие свойства сплавов. Измельчение зёрен повышает твёрдость, снижая пластическую деформацию при трении. Результаты исследования показывают, что обработка CCDF перспективна для получения наноструктурированных ВЭС. В отличие от других методов ИПД, обработка CCDF продемонстрировала потенциал для повышения износостойкости наноструктурированных ВЭС. В настоящее время проводится комплексное исследование механических свойств этих ВЭС; помимо твёрдости, износостойкости и трения, будут изучены и другие механические характеристики. Во втором году проекта планируется провести экспериментальные исследования влияния метода CCDF на электрохимическое поведение ВЭС. Успех первого года проекта превзошёл ожидания: вместо одной запланированной публикации было принято четыре статьи. Результаты первого года оказались весьма перспективными. В настоящее время продолжаются исследования по обработке методом CCDF новых экономичных ВЭС.

Публикации

1. Насери М., Мясникова А., Голами Д., Иманталаб О., Михайлов Д., Амра М., Шабурова Н., Ефимова М., Орлов А., Хоссейни С., Лин Ю.-К., Мурад А.-Х. И., Трофимов Е. Regulating of wear properties through microstructure engineering in novel cost-effective Fe30Ni25Cr25Mo10Al10 high-entropy alloy processed by cyclic closed-die forging Journal of Alloys and Metallurgical Systems, Volume 7, September 2024, 100101 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jalmes.2024.100101

2. Насери М., Мясникова А., Голами Д., Михайлов Д., Амра М., Иманталаб О., Шабурова Н., Орлов А., Лин Ю-Ч., Хоссейни С., Дана М.М., Мурад А.-Х. И., Борхани Е., Трофимов Е. Elucidating the effect of cyclic closed-die forging processing on the microstructure and wear properties of novel low-cost [FeNi]75􀀀 xCr15Mn10Nbx (x = 0, 5, 10 at%) high-entropy alloys Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 702 (2024) 135027 (год публикации - 2024)
10.1016/j.colsurfa.2024.135027

3. Насери М., Мясникова А., Иманталаб О., Голами Д., Михайлов Д., Амра М., Шабурова Н., Орлов А., Хоссейни С., Лин Ю.-К., Борхани Э., Мурад А.-Х. И., Трофимов Е. Microstructure refinement and wear resistance enhancement of cost-effective Fe50􀀀 2xMn30Co10Cr10NixCux (x = 0, 5 at%) high-entropy alloys through cyclic closed-die forging process Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Volume 703, Part 2, 135345 (год публикации - 2024)
10.1016/j.colsurfa.2024.135345

4. Насери М., Мясникова А., Иманталаб Д., Голами О., Михайлов Д., Амра М., Шабурова Н., Орлов А., Хоссейни С., Лин Ю.-К., Борхани Э., Мурад А.-Х. И., Трофимов Е. Ultrahigh hardness with exceptional wear resistance of novel cost-effective nanostructured Fe40Ni25Cr25Mo5Al5 high-entropy alloy through cyclic closed-die forging process Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Volume 703, Part 2, 135413 (год публикации - 2024)
10.1016/j.colsurfa.2024.135413

5. Насери М., Иманталаб О., Працкова С.Е., Михайлов Д.В., Ефимова М.Е., Шабурова Н.А., Трофимов Е.А. Elucidating the effect of grain refinement and crystallographic texture on electrochemical properties of cost-effective Fe40Ni25Cr25Mo5Al5 high-entropy alloy Тезисы VII Международной школы-конференции «Перспективные многокомпонентные («высокоэнтропийные») материалы», посвященной 100-летию со дня рождения профессора Юрия Александровича Скакова, C. 104 (год публикации - 2025)

6. Насери М., Иманталаб О., Працкова С., Михайлов Д., Шабурова Н., Окулов А., Лин Ю-Ч., Рыбальченко К., Трофимов Е. Unraveling the effect of Nb content on the microstructure and electrochemical performance of cost-effective [FeNi]75-xCr15Mn10Nbx (x = 0, 5, 10 at%) high-entropy alloys Journal of Alloys and Compounds, 1047 (2025) 185044 (год публикации - 2025)
10.1016/j.jallcom.2025.185044

7. Насери М., Голами Д., Михайлов Д., Мясникова А., Иманталаб О., Шабурова Н., Орлов А., Лин Ю-Ч., Мурадг А-Х.И., Трофимов Е. Achieving exceptional wear resistance in severely deformed cost-effective AlCrFeNi high-entropy alloys through cyclic closed-die forging technique Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 711 (2025) 136397 (год публикации - 2025)
10.1016/j.colsurfa.2025.136397

8. Насери М., Иманталаб О., Працкова С., Михайлов Д., Голами Д., Ефимова М., Шабурова Н., Лин Ю-Ч., Мурадг А-Х.И., Трофимов Е. Exploring the corrosion behavior of cost-effective AlCrFeNi high-entropy alloys with various microstructure characteristics in sulfuric acid environment Intermetallics , 183 (2025) 108825 (год публикации - 2025)
10.1016/j.intermet.2025.108825

9. Насери М., Иманталаб О., Працкова С., Голами Д., Михайлов Д., Ефимова М., Шабурова Н., Лин Ю-Ч., Мурадг А-Х.И., Трофимов Е. Elucidating the effect of cyclic closed-die forging technique on the electrochemical behavior of cost-effective Fe50-2xMn30Co10Cr10NixCux (x =0, 5 at%) high-entropy alloys Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 721(2025)137242 (год публикации - 2025)
10.1016/j.colsurfa.2025.137242

10. Насери М., Иманталаб О., Працкова С., Голами Д., Михайлов Д., Ефимова М., Шабурова Н., Лин Ю-Ч., Мурадг А-Х.И., Трофимов Е. Unveiling the influence of grain refinement and crystallographic orientation on electrochemical behavior of cost-effective Fe40Ni25Cr25Mo5Al5 high-entropy alloy Intermetallics, 184 (2025) 108854 (год публикации - 2025)
10.1016/j.intermet.2025.108854

11. Насери М., Иманталаб О., Працкова С., Голами Д., Михайлов Д., Ефимова М., Шабурова Н., Мясникова А., Трофимов Е. Exceptional Electrochemical Performance through Microstructure Engineering in Cost Effective Fe30Ni25Cr25Mo10Al10 High Entropy Alloy via Cyclic Closed Die Forging Technique Metallography, Microstructure, and Analysis, 14(5), pp. 1114–1120 (год публикации - 2025)
10.1007/s13632-025-01251-w