STUDY OF THE INFLUENCE OF THERMAL EFFECT ON THE STRUCTURE OF THE AlNiCoFeCr AND AlNiCoFeCrCu HEAT ELECTRICITY PRODUCED BY ARC MELTING

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The phase composition and morphological features of the structure of high-entropy AlNiCoFeCr and AlNiCoFeCrCu alloys of equiatomic compositions obtained by arc melting, as well as the evolution of their structure after thermal action (up to 1650 °C) were studied using high-resolution electron microscopy and X-ray diffraction. The structure of the AlNiCoFeCr alloy after arc melting is a solid solution formed by grains of the B2 phase - 120 nm in size. The microhardness of the alloy is ~ 5000 MPa. When the alloy is heated to 1650 °C and then solidified at a rate of 1 deg/s, a structure of grains of the B2 phase ~ 50 µm in size with subgrains ~ 0.5 µm in size is formed. Two phases of different morphology and chemical composition are distinguished along the grain boundaries. The microhardness of the alloy decreases to ~ 4800 MPa. The structure of the AlNiCoFeCrCu alloy after arc melting is microcrystalline dendritic. The distribution of chemical elements throughout the alloy volume is non-uniform. Copper predominates in the dendrites. The interdendritic region has a Widmanstatten structure. Two types of structures are realized in the ingot: phases of the B2 type (in the matrix space) and phases of the A1 type (in the dendrites). The microhardness of the alloy is ~ 6500 MPa. When the alloy is heated to 1650°C, three endothermic processes occurring in the sample are recorded on the DTA thermogram. During subsequent solidification at a rate of 1 deg/s, a structure with two types of dendrites with a substructure is formed. The dendrites differ in size, shape and element content. The interdendritic space, as well as in the sample after arc melting, is represented by a Widmanstatten structure, but the dimensions of the plates are an order of magnitude higher. During crystallization, stratification occurs simultaneously in the dendrites and interdendritic space with the release of several phases of different composition and morphology. The microhardness of the alloy decreases to ~ 5000 MPa.

About the authors

S. G Menshikova

Udmurt Federal Research Center Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: svetimensh@mail.ru
Izhevsk, Russia

References

  1. Rogachev, A.S. Structure, stability and properties of high-entropy alloys / A.S. Rogachev // Phys. met. and metallurgy. 2020. V.121. №80. P.807–841.)
  2. Ivanov, Yu.F. Structure and properties of high-entropy alloy subjected to electron-ion-plasma processing / Yu.F. Ivanov, V.E. Gromov, S.V. Konovalov [et al.] // Problems of ferrous metallurgy and mater. sci. 2022. №4. P.102–115.)
  3. Bataeva, Z.B. Review of studies of alloys developed based on the entropy approach / Z.B. Bataeva, A.A. Ruktuev, I.V. Ivanov [et al.] // Metal processing (technology, equipment, tools). 2021. V.23. №2. P.116–146.)
  4. Krishna, Aravind. A comprehensive review on advances in high entropy alloys: Fabrication and surface modification methods, properties, applications, and future prospects / Aravind Krishna, Niveditha Noble, N. Radhika, Bassiouny Saleh // J. Manufacturing Processes. 2024. V.109. P.583–606.
  5. Li, Shuai. Evolution of corrosion mechanism of 3d transition metal high entropy alloys : A review / Shuai Li, Xin Liu, Xiaotong Hou, Zhongying Liu, Xingxing Wang, Jinoop Arackal Narayanan, Tingting Wu, Yanchao Bai, Yong Dong, Hui Jiang // J. Mater. Res. Tech. 2025 V.35. P.4142–4163.
  6. Konchakov, R.A. Characteristics of defects and entropy of mixing in high-entropy alloys of the FeNiCrCoCu system / R.A. Konchakov, A.S. Makarov, N.P. Kobelev, V.A. Khonic // J. Exp. Theor. Phys. 2024. V.165. Is.3. P.367–373.)
  7. Makarov, A.S. Excess entropy of metallic glasses and its relationship with the glass-forming ability of parent melts / A.S. Makarov, R.A. Konchakov, G.V. Afonin, Ts.Ch. Jiao, N.P. Kobelev, V.A. Khonic // Lett. to JETP. 2023. V.120. Is.10. P.794–801.)
  8. Deepak, Kumar Recent advances in tribology of high entropy alloys : A critical review march // Progr. Mater. Sci. 2023. V.136. №3. Art.101106.
  9. Menshikova, S.G. Study of the evolution of the structure of a high-entropy Al20Ni20Co20Fe20Cr20 alloy under the action of high pressure and temperature / S.G. Menshikova // J. of Surf. Investig. : X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2024. V.18. №4. P.851–858.
  10. Ke Xiong. Cooling-rate effect on microstructure and mechanical properties of Al0,5CoCrFeNi high-entropy alloy / Ke Xiong, Lin Huang, Xiaofeng Wang, Lin Yu // Metals. 2022. V.12. №8. Art.1254.
  11. Tong, C.J. Mechanical performance of the AlxCoCrCuFeNi high-entropy alloy system with multiprincipal elements // C.J. Tong, M.R. Chen, S.K. Chen, J.W. Yeh, T.T. Shun, S.J. Lin, S.J. Chang // Met. Mater. Trans. A. 2005. V.36a. P.881–893.
  12. Niu, S.Z. Improved tensile properties of Al0.5CoCrFeNi high-entropy alloy by tailoring microstructures / S.Z. Niu, H.C. Kou, J. Wang, J.S. Li // Rare Met. 2021. V.40. P.1–6.
  13. Ma, Y. The BCC/B2 Morphologies in AlxNiCoFeCr High-Entropy Alloys / Y. Ma, B. Jiang, C. Li [et al.] // Metals. 2017. V.7. Art.57.
  14. Choudhuri, D.D. Change in the primary solidification phase from fcc to bcc-based B2 in high entropy or complex concentrated alloys / D.D. Choudhuri, G. Bharat, G. Stéphane [et al.] // Scripta Materialia. 2017. V.127. P.186–190.
  15. Singh, S. Decomposition in multi-component AlCoCrCuFeNi high-entropy alloy / S. Singh, N. Wanderka , B.S. Murty [et al.] // Acta Materialia. 2011. V.59. №1. P.182–190.
  16. Kuznetsov, A.V. Tensile properties of an AlCrCuNiFeCo high-entropy alloy in as-cast and wrought conditions / A.V. Kuznetsova, D.G. Shaysultanov, N.D. Strepanov [et al.] // Mater. Sci. Eng. A. 2012. V.533. P.107–118.
  17. Tong, C.J. Microstructure characterization of AlxCoCrCuFeNi high-entropy alloy system with multiprincipal elements / C.J. Tong, Y.L. Chen, S.K. Chen, J.W. Yeh, T.T. Shun, C.H. Tsau // Met. Mater. Trans. A. 2005. V.36a. P.881–893.
  18. Hsu, U.S. Alloying behavior of iron, gold and silver in AlCoCrCuNi-based equimolar high-entropy alloys / U.S. Hsu, U.D. Hung, J.W. Yeh, S.K. Chen, Y.S. Huang, C.C. Yang // Mater. Sci. Eng. A. 2007. V.460–461. P.403–408.
  19. Radhika, N. Electrochemical and hot corrosion behaviour of annealed AlCoCrFeNi HEA coating over steel / N. Radhika, N. Noble, A.A. Adediran // Scientific Reports. 2024. V.14. №1. Art.5652.
  20. Nordling, C. Physics handbook for science and engineering / C. Nordling, J. Osterman. – Lund : Studentlitteratur, 1999. 452 p.
  21. Özkaya, Serdar Microstructural, mechanical, and tribological characteristics of ZA40 alloy reinforced with AlCrCuFeNi high entropy alloy : An experimental study / Serdar Özkaya // JOM : J. Miner., Metals & Mater. Soc. 2025. V.77. №23. P.1–16.
  22. Svenchansky, A.D. Magnetron sputtering systems / Industrial electrical installations / A.D. Svenchansky, I.P. Evtyukova, L.S. Katsevich [et al.]. – Moscow : Energoizdat, 1982. 60 p.)
  23. Dyakonova, N.P. Phase transformations in a bulk amorphous iron-based alloy during grinding in a ball mill / N.P. Dyakonova, E.A. Zakharova, T.A. Sviridova, T.R. Chueva // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Phys. Ser. 2019. V.83. №10. P.1348–1352.)
  24. Данилин, Б.С. Магнетронные распылительные системы / Б.С. Данилин, В.К. Сырчин. – М. : Радио и связь, 1982. 72 c. – (Danilin, B.S. Magnetron sputtering systems / B.S. Danilin, V.K. Syrchin. – Moscow : Radio and Communications, 1982. 72 p.)
  25. Miroshnichenko, I.S. Quenching from a liquid state / I.S. Miroshnichenko. – Moscow : Metallurgy, 1982. 168 p.)
  26. Amosov, A.P. Technology of self-propagating high-temperature synthesis / A.P. Amosov, I.P. Borovinskaya, A.G. Merzhanov. – Moscow : [S.n.], 2007. 13 p.)
  27. Panshin, I.O. Effect of titanium on the structure formation and microhardness of high-entropy alloy of the Al-Co-Cr-Fe-V-M (M = Ti) system synthesized by SHS metallurgy / I.O. Panshin, E.Kh. Ri, E.D. Kim, V.S. Popova // Scientific notes of Komsomolsk-on-Amur State Technical University. 2025. №1. P.81–85.)
  28. Brodova, I.G. Initial melts as the basis for the formation of the structure and properties of aluminum alloys / I.G. Brodova, P.S. Popel, N.M. Barbin, N.A. Vatolin. – Ekaterinburg : [S.n.], 2005. 369 p.)
  29. Электронный ресурс: https://uran.ru/node/6565 (дата обращения: 24.06.2025 г.)
  30. Sitnikova, V.E. Methods of thermal analysis. Workshop / V.E. Sitnikova, A.A. Ponomareva, M.V. Uspenskaya. – St. Petersburg : ITMO University, 2021. 152 p.)
  31. Awotunde, M.A. NiAl intermetallic composites – a review of processing methods, reinforcements and mechanical properties / M.A. Awotunde, Olusoji O. Ayodele, Adewale O. Adegbenjo, Avwerosuoghene M. Okoro, Mxolisi B. Shongwe, Peter A. Olubambi // The Intern. J. Adv. Manufac. Tech. 2019. V.104 (5–8). P.1–18.
  32. Косицын, С.В. Фазовые и структурные превращения в сплавах на основе моноалюминида никеля / С.В. Косицын, И.И. Косицына // Успехи физ. мет. 2008. T.9. C.195–258. – (Kositsyn, S.V. Phase and structural transformations in alloys based on nickel monoaluminide / S.V. Kositsyn, I.I. Kositsyna // Uspekhi phys. met. 2008. V.9. P.195–258.)
  33. Krinov, E.L. Messengers of the Universe / E.L. Krinov. – Moscow : State Publ. House of Geograph. Literature, 1963. 141 p.)
  34. Tokarewicz, M. The influence of annealing at 500 and 900 °C on the structure and mechanical properties of AlxCoCrFeNi alloys / M. Tokarewicz, M. Grądzka-Dahlke, K. Rećko, M. Łępicka // Materials. 2023. V.16. Is.3. P.1245–1250.
  35. Ríos, López Effects of nickel content on the microstructure, microhardness and corrosion behavior of high-entropy AlCoCrFeNix alloys / M. López Ríos, P.P. Socorro Perdomo, I. Voiculescu, V. Geanta, V. Crăciun, I. Boerasu, J.C. Mirza Rosca // Sci. Rep. 2020. V.10. Art.21119.
  36. Shun, T.-T. Effects of Cr content on microstructure and mechanical properties of AlCoCrxFeNi high-entropy alloy / T.-T. Shun, W.-J. Hung // Adv. Mater. Sci. Eng. 2018. V.1. P.1–7. Art.5826467.
  37. Guo, L. Effect of Fe on microstructure, phase evolution and mechanical properties of (AlCoCrFeNi)100-XFex high entropy alloys processed by spark plasma sintering / L. Guo, D. Xiao, W. Wu, M. Song // Intermetallics. 2018. V.103. P.1–11.
  38. Tong, C.-J. Microstructure characterization of AlxCoCrCuFeNi high-entropy alloy system with multiprincipal elements. / C.-J. Tong, Y.-L. Chen, J.-W. Yeh, S.-J. Lin, S.-K. Chen, T.-T. Shun, C.-H. Tsau, S.-Y. Chang // Met. Mater. Trans. A. 2005. V.36. P.881–893.
  39. Kao, Y.-F. Microstructure and mechanical property of as-cast, homogenized, and deformed AlxCoCrFeNi (0≤x≤2) high-entropy alloys / Y.-F. Kao, T.-J. Chen, S.-K. Chen, J.-W. Yeh // J. Alloys Compd. 2009. V.488. №1. P.57–64.
  40. Joseph, J. Comparative study of the microstructures and mechanical properties of direct laser fabricated and arc-melted AlxCoCrFeNi high entropy alloys / J. Joseph, T. Jarvis, X. Wu, N. Stanford, P. Hodgson, D.M. Fabijanic // Mater. Sci. Eng. A. 2015. V.633. P.184–193.
  41. Joseph, J. The sliding wear behaviour of CoCrFeMnNi and AlxCoCrFeNi high entropy alloys at elevated temperatures / J. Joseph, N. Haghdadi, K. Shamlaye, P. Hodgson, M. Barnett, D. Fabijanic // Wear. 2019. V.428–429. P.32–44.
  42. Geanta, V. Chemical composition influence on microhardness, microstructure and phase morphology of AlxCrFeCoNi high entropy alloys / V. Geanta // Rev. Chim. 2018. V.69. P.798–801.
  43. Liang, J.-T. Effect of heat treatment on the phase evolution and mechanical properties of atomized AlCoCrFeNi high-entropy alloy powders / J.-T. Liang, K.-C. Cheng, S.-H. Chen // J. Alloys Compd. 2019. V.803. P.484–490.
  44. Cheng, K.-C. Properties of atomized AlCoCrFeNi high-entropy alloy powders and their phase-adjustable coatings prepared via plasma spray process / K.-C. Cheng, J.-H. Chen, S. Stadler, S.-H. Chen // Appl. Surf. Sci. 2019. V.478. P.478–486.
  45. Zhang, X. The phase composition characteristics of AlCoCrFeNi high entropy alloy heat-treated by simple normalizing treatment and its effects on mechanical properties / Zhang X., Liu L., Yao K., Duan K., Wu F., Zhao R., Zhang Y., Shang J., Chen M. // J. Alloys Compd. 2022. V.926. Art.166896.
  46. Ivchenko, M.V. Structure, phase transformations and properties of high-entropy equiatomic metallic alloys based on AlCrFeCoNiCu : dissertation ... candidate of physical and mathematical sciences : 01.04.07 / M.V. Ivchenko. –Ekaterinburg : Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2015. 167 p.)
  47. Tung, C.-C. On the elemental effect of AlCoCrCuFeNi high-entropy alloy system / C.-C. Tung, J.-W. Yeh, T.-T. Shun, S.-K. Chen, Y.-S. Huang, H.-C. Chen // Mat. Lett. 2007. V.61. P.1–5.
  48. Chen, M.-R. Effect of vanadium addition on the microstructure, hardness, and wear resistance of Al0,5CoCrCuFeNi high-entropy alloy / M.-R. Chen, S.-J. Lin, J.-W. Yeh, S.-K. Chen, Y.-S. Huang, M.-H. Chuang // Met. Mater. Trans. 2006. V.37a. P.1363–1369.
  49. Wang, X.F. Novel microstructure and properties of multicomponent CoCrCuFeNiTix alloys / X.F. Wang, Y. Zhang, Y. Qiao, G.L. Chen // Intermetallics. 2007. V.15. P.357–362.
  50. Shiratori, H. Relationship between the microstructure and mechanical properties of an equiatomic AlCoCrFeNi high-entropy alloy fabricated by selective electron beam melting / H. Shiratori, T. Fujieda, K. Yamanaka, Y. Koizumi // Mater. Sci. Eng. A. 2016. V.656. P.39–46.
  51. Chen, C. Influences of laser surface melting on microstructure, mechanical properties and corrosion resistance of dual-phase Cr-Fe-Co-Ni-Al high entropy alloys / C. Chen, H. Zhang, S. Hu, R. Wei, T. // J. Alloys Compd. 2020. V.826. Art.154100.
  52. Uporov, S. Effect of synthesis route on structure and properties of AlCoCrFeNi high-entropy alloy / S. Uporov, V. Bykov, S. Pryanichnikov, A. Shubin // Intermetallics. 2017. Т.83. P.1–8.
  53. Tokarewicz, M. Review of recent research on AlCoCrFeNi high-entropy alloy / M. Tokarewicz, M. Grądzka-Dahlke // Metals. 2021. V.11. №8. P.1–14. Art.1302.
  54. Электронный ресурс : https://www.gminsights.com/ru/industry-analysis/high-entropy-alloy-market (дата обращения: 25.06.2025 г.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».