Mechanical Properties of High Entropy Alloys Based on Rare Earth Elements with Yttrium and Scandium

I. S. Sipatov; Сипатов И. С.; O. A. Korolev; Королёв О. А.; E. V. Ignatieva; Игнатьева Е. В.; L. A. Marshuk; Маршук Л. А.; B. R. Gelchinskiy; Гельчинский Б. Р.; A. A. Rempel; Ремпель А. А.

doi:10.31857/S0015323023600788

Механические свойства высокоэнтропийных сплавов на основе редкоземельных элементов с иттрием и скандием

Авторы: Сипатов И.С.¹, Королёв О.А.¹, Игнатьева Е.В.¹, Маршук Л.А.¹, Гельчинский Б.Р.¹, Ремпель А.А.¹
Учреждения:
1. Институт металлургии УрО РАН
Выпуск: Том 124, № 12 (2023)
Страницы: 1303-1310
Раздел: ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ
URL: https://journals.rcsi.science/0015-3230/article/view/232752
DOI: https://doi.org/10.31857/S0015323023600788
EDN: https://elibrary.ru/GGUVPY
ID: 232752

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Представлены результаты исследования структуры и химического состава высокоэнтропийных сплавов GdTbDyHoSc и GdTbDyHoY эквиатомного состава, которые рассматривают в качестве материалов для магнитных генераторов холода. Методом дифференциальной сканирующей калориметрии определены температуры солидуса и ликвидуса изучаемых сплавов. На основании этих данных выбран экспериментальный режим термоциклической обработки. Признаков разрушения сплавов после пяти циклов испытаний на термостойкость в режиме: выдержка 15 мин при 1073 K (~0.6 от температуры плавления) с последующей закалкой в воду комнатной температуры, не наблюдали. Установлено, что примененная термообработка привела к повышению твердости сплавов в 2–3 раза и снижению износостойкости в 4–40 раз в зависимости от состава сплавов и числа циклов термической обработки. Существенное изменение свойств сплавов связано с образованием оксидов типа РЗМ₂О₃ не только на поверхности сплавов, но и в их объеме, что обусловлено высокой химической активностью редкоземельных металлов. Представленные данные будут полезны для разработки режимов термической и термомеханической обработки изученных сплавов.

Ключевые слова

редкоземельный металл (РЗМ), высокоэнтропийный сплав (ВЭС), скандий, иттрий, ГПУ твердый раствор, твердость, износостойкость

Список литературы

Moschetti M., Xu A., Schuh B., Hohenwarter A., Couzinié J.P., Kruzic J.J., Bhattacharyya D., Gludovatz B. On the room-temperature mechanical properties of an ion-irradiated TiZrNbHfTa refractory high entropy alloy // JOM. 2020. V. 72. P. 130–138.
Rogachev A.S. Structure, stability, and properties of high-entropy alloys // Phys. Met. Metallogr. 2020. V. 121. P. 733–764.
Salishchev G.A., Tikhonovsky M.A., Shaysultanov D.G., Stepanov N.D., Kuznetsov A.V., Kolodiy I.V., Tortika A.S., Senkov O.N. Effect of Mn and M on structure and mechanical properties of high-entropy alloys based on CoCrFeNi system // J. Alloys Compd. 2014. V. 591. P. 11–21.
Uporov S.A., Ryltsev R.E., Sidorov V.A., Estemirova S.K., Sterkhov E.V., Balyakin I.A., Chtchelkatchev N.M. Pressure effects on electronic structure and electrical conductivity of TiZrHfNb high-entropy alloy // Intermetallics. 2022. V. 140. P. 107394.
Ishizu N., Kitagawa J. New high-entropy alloy superconductor Hf21Nb25Ti15V15Zr24 // Results Phys. 2019. V. 13. P. 102275.
LuŽnik J., KoŽelj P., Vrtnik S., Jelen A., Jagličić Z., Meden A., Feuerbacher M., Dolinšek J. Complex magnetism of Ho–Dy–Y–Gd–Tb hexagonal high-entropy alloy // Phys. Rev. B – Condens. Matter. Mater. Phys. 2015. V. 92. P. 224201.
Lu S.F., Ma L., Wang J., Du Y.S., Li L., Zhao J.T., Rao G.H. Effect of configuration entropy on magnetocaloric effect of rare earth high-entropy alloy // J. Alloys Compd. 2021. V. 874. P. 159918.
Sleiman S., Huot J. Effect of particle size, pressure and temperature on the activation process of hydrogen absorption in TiVZrHfNb high entropy alloy // J. Alloys Compd. 2021. V. 861. P. 158615.
Nygård M.M., Ek G., Karlsson D., Sahlberg M., Sørby M.H., Hauback B.C. Hydrogen storage in high-entropy alloys with varying degree of local lattice strain // Int. J. Hydrogen Energy. 2019. V. 44. P. 29140–29149.
Uporov S., Bykov V., Pryanichnikov S., Shubin A., Uporova N. Effect of synthesis route on structure and properties of AlCoCrFeNi high-entropy alloy // Intermetallics. 2017. V. 83. P. 1–8.
Bracq G., Laurent-Brocq M., Perrière L., Pirès R., Joubert J.M., Guillot I. The fcc solid solution stability in the Co–Cr–Fe–Mn–Ni multi-component system // Acta Mater. 2017. V. 128. P. 327–336.
Sheikh S., Mao H., Guo S. Predicting solid solubility in CoCrFeNiMx (M = 4d transition metal) high-entropy alloys // J. Appl. Phys. 2017. V. 121. P. 194903.
Acet M. Inducing strong magnetism in Cr20Mn20Fe20Co20Ni20 high-entropy alloys by exploiting its anti-Invar property // AIP Adv. 2019. V. 9. P. 095037.
Takeuchi A., Amiya K., Wada T., Yubuta K., Zhang W. High-entropy alloys with a hexagonal close-packed structure designed by equi-atomic alloy strategy and binary phase diagrams // JOM. 2014. V. 66. P. 1984–1992.
Feuerbacher M., Heidelmann M., Thomas C. Hexagonal high-entropy alloys // Mater. Res. Lett. 2014. V. 3. P. 1–6.
Jelen A., Jang J.H., Oh J., Kim H.J., Meden A., Vrtnik S., Feuerbacher M., Dolinšek J. Nanostructure and local polymorphism in “ideal-like” rare-earths-based high-entropy alloys // Mater. Charact. 2021. V. 172. P. 110 837.
Упоров С.А., Эстемирова С.Х., Стерхов Е.В., Зайцева П.В., Скрыльник М.Ю., Шуняев К.Ю., Ремпель А.А. Особенности кристаллизации, структуры и термической стабильности высокоэнтропийных сплавов GdTbDyHoSc и GdTbDyHoY // Расплавы. 2022. № 5. С. 443–453.
Popova E.A., Kotenkov P.V., Gilev I.O. Formation of metastable aluminides in alloys of Al–Hf–Sc(Ti) systems // Met. Sci. Heat Treat. 2020. V. 61. P. 782–786.
Dorin T., Ramajayam M., Vahid A. Langan T. Fundamentals of aluminiummetallurgy. Chapter12 – Aluminiumscandium alloys / Elsevier Ltd. 2018. P. 439–494.
Kaigorodova L.I., Rasposienko D.Y., Pushin V.G., Pilyugin V.P., Smirnov S.V. Influence of severe plastic deformation on the structure and properties of Al–Li–Cu–Mg–Zr–Sc–Znalloy // The Physics of Metals and Metallography. 2018. V. 119. № 2. P. 161–168.
Udoeva L.Y., Chumarev V.M., Larionov A.V., Zhidovinova S.V., Tyushnyakov S.N. Influence of rare earth elements on the structural-phase state of Mo–Si–X (X = Sc, Y, Nd) in situ composites // Inorg. Mater. Appl. Res. 2018. V. 9. P. 257–263.
Da Silveira R.M.S., Guimarães A.V., De Melo C.H., Ribeiro R.M., Farina A.B., Malet L., De Almeida L.H., Araujo L.S. Effect of yttrium addition on phase transformations in alloy 718 // J. Mater. Res. Technol. 2022. V. 18. P. 3283–3290.
Oh J.Y., Ko W.S., Suh J.Y., Lee Y.S., Lee B.J., Yoon W.Y., Shim J.H. Enhanced high temperature hydrogen permeation characteristics of V–Ni alloy membranes containing a trace amount of yttrium // Scr. Mater. 2016. V. 116. P. 122–126.
Uporov S., Sterkhov E., Balyakin I. Magnetocaloric effect in ScGdHomedium-entropy alloy // J. Supercond. Nov. Magn. 2022. V. 35. P. 1539–1545.
Барков Р.Ю., Хомутов М.Г., Главатских М.В., Поздняков А.В. Влияние иттрия и циркония на структуру и свойства сплава Al–5Si–1.3Cu–0.5Mg // Физика металлов и металловедение. 2022. Т. 123. № 6. С. 637–642.
Uporov S.A., Estemirova S.K., Sterkhov E.V., Balyakin I.A., Rempel A.A. Magnetocaloric effect in ScGdTbDyHo high-entropy alloy: impact of synthesis route // Intermetallics. 2022. V. 151. P. 107678.
ASTM G-77-17 Standard test method for ranking resistance of materials to sliding wear using block-on-ring wear test. 2017. P. 11.
Gelchinski B.R., Balyakin I.A., Yuryev A.A., Rempel A.A. High-entropy alloys: properties and prospects of application as protective coatings // Russ. Chem. Rev. 2022. V. 91. P. 248–253.
Gorbachev I.I., Popov V.V., Katz-Demyanetz A., Eshed E. Prediction of the phase composition of high entropy alloys based on Cr–Nb–Ti–V–Zrusing the calphad method // The Physics of Metals and Metallography. 2019. V. 120. № 4. P. 378–386.
Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. М.: Металлургия, 1969. 752 с.