Встановлення закономірностей впливу впливу елементного складу сплавів на основі ніобію на їх структуру і властивості

Автор(и)

  • Oleg Sоbоl` Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0002-4497-4419
  • Andrii Meilekhov Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0002-8142-6024
  • Valeria Subbotinа Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0002-3882-0368
  • Olena Rebrova Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0003-2315-7003

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.200264

Ключові слова:

багатоелементний сплав, ніобій, високоентропійний сплав, дисторсія, фазовий склад, коефіцієнт теплового розширення

Анотація

Методом рентгенівської дифрактометрії досліджено вплив складу двох, трьох, чотирьох і п'яти елементних сплавів на основі ніобію на їх фазово-структурний стан, середній розмір кристалітів і коефіцієнт теплового розширення в інтервалі температур +20 °С ... –170 °С. В якості елементів наповнення використовувалися ванадій, тантал, гафній, молібден, цирконій, вольфрам і титан. Ці елементи або в рівноважному – при кімнатній температурі (RT =+20 °С), або в високотемпературному станах мають ОЦК кристалічну решітку, подібну Nb.

Встановлено, що в сплавах на основі двох, трьох, чотирьох і п'яти елементів для використаних в роботі складів відбувається формування однофазного стану з ОЦК кристалічною решіткою твердого розчину. На структурному рівні вплив складу сплаву позначається на співвідношенні інтенсивності піку дифракції від різних площин. Для двох порядків дифракції від найбільш щільноупакованної в ОЦК решітці площини {110} виявлено зміну величини інтенсивності для другого порядку дифракції. У найбільшій мірі зменшення відносної інтенсивності відбувається в бінарних сплавах з великою невідповідністю за розмірами атомних радіусів складових компонент. У багатоелементних сплавах спостерігається менше падіння інтенсивності. Це може бути пов'язано зі зменшенням дисторсії кристалічної решітки внаслідок упорядкування елементів, які складають сплав.

На субструктурному рівні склад сплаву позначається на величині середнього розміру кристалітів. Для бінарних складів сплавів найбільший ефект пов'язаний з елементами наповнення Zr і Hf, які мають значно більший атомний радіус. Це призводить до зменшення середнього розміру кристалітів твердого розчину сплаву до найменшого значення 11 нм (сплав NbZr) і виділенню другої фази (сплав NbHf).

Встановлено, що коефіцієнт лінійного теплового розширення (КТР), визначений рентгендифракційним методом при 2-х температурах (RT =+20 °С і Т=–170 °С), в багатоелементних сплавах перевищує значення для вихідних елементів. Найбільше збільшення КТР спостерігається в сплавах, що містять 17–26 ат. % V і W (які мають найменший атомний радіус)

Біографії авторів

Oleg Sоbоl`, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Доктор фізико-математичних наук, професор

Кафедра матеріалознавства

Andrii Meilekhov, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Молодший науковий співробітник

Кафедра матеріалознавства

Valeria Subbotinа, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра матеріалознавства

Olena Rebrova, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра матеріалознавства

Посилання

  1. Mayrhofer, P. H., Mitterer, C., Hultman, L., Clemens, H. (2006). Microstructural design of hard coatings. Progress in Materials Science, 51 (8), 1032–1114. doi: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2006.02.002
  2. Sobol, O. V., Postelnyk, A. A., Meylekhov, A. A., Andreev, A. A., Stolbovoy, V. A. (2017). Structural Engineering of the Multilayer Vacuum Arc Nitride Coatings Based on Ti, Cr, Mo and Zr. Journal of Nano- and Electronic Physics, 9 (3), 03003-1–03003-6. doi: https://doi.org/10.21272/jnep.9(3).03003
  3. Azarenkov, N. A., Sobol’, O. V., Beresnev, V. M., Pogrebnyak, A. D., Kolesnikov, D. A., Turbin, P. V., Toryanik, I. N. (2013). Vacuum-plasma coatings based on the multielement nitrides. Metallofizika i noveishie tekhnologii, 35 (8), 1061–1084. Available at: http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/104178/07-Azarenkov.pdf?sequence=1
  4. Cherepova, T., Dmitrieva, G., Tisov, O., Dukhota, O., Kindrachuk, M. (2019). Research on the Properties of Co-Tic and Ni-Tic Hip-Sintered Alloys. Acta Mechanica et Automatica, 13 (1), 57–67. doi: https://doi.org/10.2478/ama-2019-0009
  5. Sobol’, O. V., Andreev, A. A., Stolbovoi, V. A., Fil’chikov, V. E. (2012). Structural-phase and stressed state of vacuum-arc-deposited nanostructural Mo-N coatings controlled by substrate bias during deposition. Technical Physics Letters, 38 (2), 168–171. doi: https://doi.org/10.1134/s1063785012020307
  6. Sobol’, O. V., Andreev, A. A., Gorban’, V. F., Krapivka, N. A., Stolbovoi, V. A., Serdyuk, I. V., Fil’chikov, V. E. (2012). Reproducibility of the single-phase structural state of the multielement high-entropy Ti-V-Zr-Nb-Hf system and related superhard nitrides formed by the vacuum-arc method. Technical Physics Letters, 38 (7), 616–619. doi: https://doi.org/10.1134/s1063785012070127
  7. Sobol’, O. V., Andreev, A. A., Gorban’, V. F., Meylekhov, A. A., Postelnyk, Н. О. (2016). Structural Engineering of the Vacuum Arc ZrN/CrN Multilayer Coatings. Journal of Nano- and Electronic Physics, 8 (1), 01042-1–01042-5. doi: https://doi.org/10.21272/jnep.8(1).01042
  8. Sobol’, O. V., Andreev, A. A., Gorban’, V. F., Stolbovoy, V. A., Melekhov, A. A., Postelnyk, A. A. (2016). Possibilities of structural engineering in multilayer vacuum-arc ZrN/CrN coatings by varying the nanolayer thickness and application of a bias potential. Technical Physics, 61 (7), 1060–1063. doi: https://doi.org/10.1134/s1063784216070252
  9. Sobol’, O. V., Meilekhov, A. A. (2018). Conditions of Attaining a Superhard State at a Critical Thickness of Nanolayers in Multiperiodic Vacuum-Arc Plasma Deposited Nitride Coatings. Technical Physics Letters, 44 (1), 63–66. doi: https://doi.org/10.1134/s1063785018010224
  10. Sobol’, O. V., Andreev, A. A., Gorban’, V. F. (2016). Structural Engineering of Vacuum-ARC Multiperiod Coatings. Metal Science and Heat Treatment, 58 (1-2), 37–39. doi: https://doi.org/10.1007/s11041-016-9961-3
  11. Raghavan, R., Hari Kumar, K. C., Murty, B. S. (2012). Analysis of phase formation in multi-component alloys. Journal of Alloys and Compounds, 544, 152–158. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.07.105
  12. Senkov, O. N., Wilks, G. B., Scott, J. M., Miracle, D. B. (2011). Mechanical properties of Nb25Mo25Ta25W25 and V20Nb20Mo20Ta20W20 refractory high entropy alloys. Intermetallics, 19 (5), 698–706. doi: https://doi.org/10.1016/j.intermet.2011.01.004
  13. Ranganathan, S. (2003). Alloyed pleasures: multimetallic cocktails. Current science, 85 (10), 1404–1406. Available at: https://pdfs.semanticscholar.org/e4d2/1223b04a774d2ac1b134bb46cfc0ba810f43.pdf
  14. Li, C., Li, J. C., Zhao, M., Jiang, Q. (2009). Effect of alloying elements on microstructure and properties of multiprincipal elements high-entropy alloys. Journal of Alloys and Compounds, 475 (1-2), 752–757. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.07.124
  15. Sobol’, O. V., Yakushchenko, I. V. (2015). Influence of ion implantation on the structural and stressed state and mechanical properties of nitrides of high-entropy (TiZrAlYNb)N and (TiZrHfVNbTa)N alloys. Journal of nano- and electronic physics, 7 (3), 03044-1-03044-6. Available at: http://jnep.sumdu.edu.ua/download/numbers/2015/3/articles/jnep_2015_V7_03044.pdf
  16. Yeh, J.-W., Chen, S.-K., Lin, S.-J., Gan, J.-Y., Chin, T.-S., Shun, T.-T. et. al. (2004). Nanostructured High-Entropy Alloys with Multiple Principal Elements: Novel Alloy Design Concepts and Outcomes. Advanced Engineering Materials, 6 (5), 299–303. doi: https://doi.org/10.1002/adem.200300567
  17. Sobol’, O. V., Andreev, A. A., Gorban', V. F., Postelnyk, Н. О., Stolbovoy, V. A., Zvyagolsky, A. V. et. al. (2019). The use of negative bias potential for structural engineering of vacuum-arc nitride coatings based on high-entropy alloys. Problems of atomic science and technology, 120 (2), 127–135. Available at: https://vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2019_2/article_2019_2_127.pdf
  18. Guo, S., Liu, C. T. (2011). Phase stability in high entropy alloys: Formation of solid-solution phase or amorphous phase. Progress in Natural Science: Materials International, 21 (6), 433–446. doi: https://doi.org/10.1016/s1002-0071(12)60080-x
  19. Zhang, Y., Zhou, Y. J., Lin, J. P., Chen, G. L., Liaw, P. K. (2008). Solid-Solution Phase Formation Rules for Multi-component Alloys. Advanced Engineering Materials, 10 (6), 534–538. doi: https://doi.org/10.1002/adem.200700240
  20. Pickering, E. J., Jones, N. G. (2016). High-entropy alloys: a critical assessment of their founding principles and future prospects. International Materials Reviews, 61 (3), 183–202. doi: https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1180020
  21. Cantor, B., Chang, I. T. H., Knight, P., Vincent, A. J. B. (2004). Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. Materials Science and Engineering: A, 375-377, 213–218. doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.257
  22. Chen, J., Zhou, X., Wang, W., Liu, B., Lv, Y., Yang, W. et. al. (2018). A review on fundamental of high entropy alloys with promising high–temperature properties. Journal of Alloys and Compounds, 760, 15–30. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.05.067
  23. Cheng, C.-Y., Yang, Y.-C., Zhong, Y.-Z., Chen, Y.-Y., Hsu, T., Yeh, J.-W. (2017). Physical metallurgy of concentrated solid solutions from low-entropy to high-entropy alloys. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 21 (6), 299–311. doi: https://doi.org/10.1016/j.cossms.2017.09.002
  24. Miracle, D. B., Senkov, O. N. (2017). A critical review of high entropy alloys and related concepts. Acta Materialia, 122, 448–511. doi: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.081
  25. Zhang, Y., Yang, X., Liaw, P. K. (2012). Alloy Design and Properties Optimization of High-Entropy Alloys. JOM, 64 (7), 830–838. doi: https://doi.org/10.1007/s11837-012-0366-5
  26. Florea, I., Florea, R. M., Baltatescu, O., Soare, V., Chelariu, R., Carcea, I. (2013). High entropy alloys. Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 15 (7-8), 761–767. Available at: https://www.researchgate.net/publication/274640494_High_entropy_alloys
  27. Tang, W.-Y., Yeh, J.-W. (2009). Effect of Aluminum Content on Plasma-Nitrided Al x CoCrCuFeNi High-Entropy Alloys. Metallurgical and Materials Transactions A, 40 (6), 1479–1486. doi: https://doi.org/10.1007/s11661-009-9821-5
  28. Chen, M.-R., Lin, S.-J., Yeh, J.-W., Chen, S.-K., Huang, Y.-S., Tu, C.-P. (2006). Microstructure and Properties of Al0.5CoCrCuFeNiTix (x=0–2.0) High-Entropy Alloys. Materials Transactions, 47 (5), 1395–1401. doi: https://doi.org/10.2320/matertrans.47.1395
  29. Wu, J.-M., Lin, S.-J., Yeh, J.-W., Chen, S.-K., Huang, Y.-S., Chen, H.-C. (2006). Adhesive wear behavior of AlxCoCrCuFeNi high-entropy alloys as a function of aluminum content. Wear, 261 (5-6), 513–519. doi: https://doi.org/10.1016/j.wear.2005.12.008
  30. Chen, Y. Y., Hong, U. T., Shih, H. C., Yeh, J. W., Duval, T. (2005). Electrochemical kinetics of the high entropy alloys in aqueous environments – a comparison with type 304 stainless steel. Corrosion Science, 47 (11), 2679–2699. doi: https://doi.org/10.1016/j.corsci.2004.09.026
  31. Chen, Y. Y., Duval, T., Hung, U. D., Yeh, J. W., Shih, H. C. (2005). Microstructure and electrochemical properties of high entropy alloys – a comparison with type-304 stainless steel. Corrosion Science, 47 (9), 2257–2279. doi: https://doi.org/10.1016/j.corsci.2004.11.008
  32. Wang, Z., Fang, Q., Li, J., Liu, B., Liu, Y. (2018). Effect of lattice distortion on solid solution strengthening of BCC high-entropy alloys. Journal of Materials Science & Technology, 34 (2), 349–354. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2017.07.013
  33. Tong, C.-J., Chen, Y.-L., Yeh, J.-W., Lin, S.-J., Chen, S.-K., Shun, T.-T. et. al. (2005). Microstructure characterization of Al x CoCrCuFeNi high-entropy alloy system with multiprincipal elements. Metallurgical and Materials Transactions A, 36 (4), 881–893. doi: https://doi.org/10.1007/s11661-005-0283-0
  34. Andreev, A. A., Voyevodin, V. N., Sobol', O. V., Gorban', V. F., Kartmazov, G. N., Stolbovoy, V. A. et. al. (2013). Regularities in the effect of model ion irradiation on the structure and properties of vacuum-arc nitride coatings. Problems of atomic science and technology, 5 (87), 142–146. Available at: https://vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2013_5/article_2013_5_142.pdf
  35. Sobol', O. V., Dur, O., Postelnyk, A. A., Kraievska, Z. V. (2019). Structural engineering and functional properties of vacuum-arc coatings of high-entropy (TiZrNbVHf)N and (TiZrNbVHfTa)N alloys nitrides. Functional materials, 26 (2), 310–318. doi: https://doi.org/10.15407/fm26.02.310
  36. Yeh, J.-W. (2013). Alloy Design Strategies and Future Trends in High-Entropy Alloys. JOM, 65 (12), 1759–1771. doi: https://doi.org/10.1007/s11837-013-0761-6
  37. Stepanov, N. D., Shaysultanov, D. G., Ozerov, M. S., Zherebtsov, S. V., Salishchev, G. A. (2016). Second phase formation in the CoCrFeNiMn high entropy alloy after recrystallization annealing. Materials Letters, 185, 1–4. doi: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.08.088
  38. Stepanov, N. D., Yurchenko, N. Y., Zherebtsov, S. V., Tikhonovsky, M. A., Salishchev, G. A. (2018). Aging behavior of the HfNbTaTiZr high entropy alloy. Materials Letters, 211, 87–90. doi: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2017.09.094
  39. Firstov, S. A., Gorban', V. F., Krapivka, N. A., Pechkovskiy, E. P. (2012). Raspredelenie elementov v lityh mnogokomponentnyh vysokoentropiynyh odnofaznyh splavah s OTSK kristallicheskoy reshetkoy. Kompozity i nanomaterialy, 3, 48–65.
  40. Sobol’, O. V., Shovkoplyas, O. A. (2013). On advantages of X-ray schemes with orthogonal diffraction vectors for studying the structural state of ion-plasma coatings. Technical Physics Letters, 39 (6), 536–539. doi: https://doi.org/10.1134/s1063785013060126
  41. Jenkins, R., Snyder, R. L. (1996). Introduction to X-ray Powder Diffractometry. John Wiley & Sons Inc. doi: https://doi.org/10.1002/9781118520994
  42. Mikhailov, I. F., Baturin, A. A., Mikhailov, A. I., Borisova, S. S. (2012). Increasing the sensitivity of X-ray fluorescent scheme with secondary radiator using the initial spectrum filtration. Functional materials, 19 (1), 126–129. Available at: http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/135279/21-Mikhailov.pdf?sequence=1
  43. Heyrovska, R. (2013). Atomic, ionic and bohr radii linked via the golden ratio for elements of groups 1 - 8 including lanthanides and actinides. International journal of sciences, 2, 63–68. Available at: https://www.ijsciences.com/pub/pdf/V2-201304-18.pdf
  44. Finkel', V. A. (1971). Nizkotemperaturnaya rentgenografiya metallov. Moscow: Metallurgiya, 256.
  45. Chirkin, V. S. (1967). Teplofizicheskie svoystva materialov yadernoy tehniki. Moscow: Atomizdat, 474.

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-04-30

Як цитувати

Sоbоl` O., Meilekhov, A., Subbotinа V., & Rebrova, O. (2020). Встановлення закономірностей впливу впливу елементного складу сплавів на основі ніобію на їх структуру і властивості. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(12 (104), 16–23. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.200264

Номер

Том 2 № 12 (104) (2020): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Oleg Sоbоl`, Andrii Meilekhov, Valeria Subbotinа, Olena Rebrova

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.