Chapter 3. Prospective compositions of heat-resistant high-entropy alloys for foundry production
Ключові слова:
високоентропійні сплави, жаростійкість, фазовий склад, пружні властивості, термофізичні параметри, B2-фаза, рідкоплинність, VEC, індукційна плавкаКороткий опис
У роботі досліджено перспективні склади високоентропійних сплавів (ВЕС) на основі систем FeNiCrCuAl та FeNiCrCuMn, які мають потенціал для використання як жаростійкі матеріали у ливарному виробництві. Показано, що застосування спеціально розробленої вакуумної індукційної печі середньочастотного типу дозволяє отримувати якісні зливки із активним перемішуванням розплаву та температурою до 1800 °C. Проведено розрахунок термодинамічних параметрів (ентропія та ентальпія змішування, атомні радіуси, електронегативності, VEC, параметр Ω), на основі яких здійснено прогноз фазового складу. Рентгенофазовий аналіз підтвердив формування твердих розчинів із ГЦК- та ОЦК-ґратками, впорядкованої В2-фази (типу NiAl). Окрім фазового аналізу та вивчення структури, досліджено також термофізичні властивості (теплоти плавлення та кристалізації, температури ліквідус-солідус) та пружні властивості сплавів у широкому діапазоні температур методом динамічного механічного аналізу (DMA). Встановлено залежності модуля пружності та тангенса кута механічних втрат від температури. Проведено оцінку жаростійкості сплавів при 600–800°C, яка показала високу стабільність структури високоентропійних сплавів в окиснювальному середовищі. Вивчено ливарні властивості дослідних сплавів – рідкоплинність та лінійну усадку – за допомогою спіральної та U-подібних проб, що дозволило порівняти їх з показниками чавунів і сталей. Рідкоплинність високоентропійних сплавів системи FeNiCrCuMn є нижчою, а сплавів системи FeNiCrCuAl – вищою порівняно зі стандартними сталями (25Л, 10Х18Н9Л). Таким чином, результати дослідження підтверджують доцільність використання сплавів систем FeNiCrCuMn і FeNiCrCuAl як жаростійких ливарних матеріалів нового покоління.
Посилання
Yeh, J.-W. High-entropy multielemental alloys. (2002). (U.S. Patent No. 2002/0159917 A1). https://patents.google.com/patent/US20020159914A1/
Ranganathan, S. (2003) Alloyed pleasures: multimetallic cocktails. Current science (Bangalore), 85(10), 1404–1406. https://www.currentscience.ac.in/Volumes/85/10/1404.pdf
Yeh, J.-W., Chen, S.-K., Lin, S.-J., Gan, J.-Y., Chin, T.-S., Shun, T.-T., Tsai, C.-H., & Chang, S.-Y. (2004). Nanostructured High-Entropy Alloys with Multiple Principal Elements: Novel Alloy Design Concepts and Outcomes. Advanced Engineering Materials. 6(5), 299–303. https://doi.org/10.1002/adem.200300567
Miracle, D. B., Miller. J. D., Senkov, O. N., Woodward, C., Uchic, M. D., & Tiley, J. (2014). Exploration and Development of High Entropy Alloys for Structural Applications. Entropy, 16(1), 494–525. https://doi.org/10.3390/e16010494
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. https://doi.org/10.1002/adem.200700240
Zhang, Y., Zuo, T. T., Tang, Z., Gao, M. C., Dahmen, K. A., Liaw, P. K., & Lu, Z. P. (2014). Microstructures and properties of high-entropy Alloys. Progress in Materials Science, 61, 1–93. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2013.10.001
Pogrebnjak, A. D., Bagdasaryan, A. A., Yakushchenko, I. V., & Beresnev V. M. The structure and properties of high-entropy alloys and nitride coatings based on them. Russian Chemical Reviews, 83(11), 1027–1061. https://doi.org/10.1070/RCR4407
Miedema, A. R., de Chatel, P. F., & de Boer, F. R. (1980). Cohesion in alloys – fundamentals of a semi-empirical model. Physica B+C, 100(1), 1–28. https://doi.org/10.1016/0378-4363(80)90054-6
Niessen, A. K., de Boer, F. R., Boom, R., de Châtel, P. F., Mattens, W. C. M., & Miedema A. R. (1983). Model predictions for the enthalpy of formation of transition metal alloys II. Calphad, 7(1), 51–70. https://doi.org/10.1016/0364-5916(83)90030-5
Takeuchi, A., & Inoue, A. (2005). Classification of Bulk Metallic Glasses by Atomic Size Difference, Heat of Mixing and Period of Constituent Elements and Its Application to Characterization of the Main Alloying Element. Materials Transactions, 46(12), 2817–2829. https://doi.org/10.2320/matertrans.46.2817
Rempel, A. A., & Gel’chinskii, B. R. (2020). High-entropy alloys: preparation, properties and practical application. Izvestiya. Ferrous Metallurgy, 63(3–4), 248–253. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-3-4-248-253
Dębski, A., Dębski, & R., Gąsior, W. (2014). New features of Entall database: comparison of experimental and model formation enthalpies. Archives of Metallurgy and Materials, 59(4), 1337–1343. https://www.imim.pl/files/archiwum/Vol4_2014/15.pdf
Zhang, Y. (2010). Mechanical properties and structures of high entropy alloys and bulk metallic glasses composites. Materials Science Forum, 654–656, 1058–1061. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.654-656.1058
Yang, X., & Zhang, Y. (2012). Prediction of high-entropy stabilized solid-solution in multi-component alloys. Materials Chemistry and Physics, 132(2–3), 233– 238. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2011.11.021
Yeh, J.-W. (2016). Overview of High-Entropy Alloys. In M. C. Gao, J.-W. Yeh, P. K. Liaw, Y. Zhang (Eds.), High-Entropy Alloys: Fundamentals and Applications (pp. 1–19). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-319-27013-5
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. https://doi.org/10.1016/S1002-0071(12)60080-X
Guo, S., Ng, C., Lu, J., & Liu, C. T. (2011). Effect of valence electron concentration on stability of fcc or bcc phase in high entropy alloys. Journal of Applied Physics, 109, Article 103505. https://doi.org/10.1063/1.3587228
Singh, A. K., & Subramaniam A. (2014). On the formation of disordered solid solutions in multi-component alloys. Journal of Alloys and Compounds, 587, 113–119. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.10.133
Jiang, L., Lu, Y. P., Jiang, H., Wang, T. M., Wei, B. N., Cao, Z. Q., & Li, T. J. (2016). Formation rules of single phase solid solution in high entropy alloys. Materials Science and Technology, 32(6), 588–592. https://doi.org/10.1179/1743284715Y.0000000130
Zhu, J. H., Liaw, P. K., & Liu, C. T. (1997). Effect of electron concentration on the phase stability of NbCr2-based Laves phase alloys. Materials Science and Engineering: A, 239–240, 260–264. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(97)00590-X
Jin, X., Zhou, Y., Zhang, L., Du X., & Li B. (2018). A new pseudo binary strategy to design eutectic high entropy alloys using mixing enthalpy and valence electron concentration. Materials & Design, 143, 49–55. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.01.057
Li, H., He, W., Wang, F., Zhang, X., & Shcheretskyi, O. (2024). Wear performance of FeCuMoTiV high entropy alloy coatings by laser cladding. Surface Topography Metrology and Properties, 2024, 12(2), Article 025013. https://doi.org/10.1088/2051-672X/ad4403
Li, H., Shen, W., He, W., Nie, Z., & Shcheretskyi, O. (2025). Preparation of AlCoCrFeNi HEA wear-resistant coatings by laser cladding on the surface of (ZrB2+Al3Zr)/AA6016. Materials Today Communications, 48, Article 113575. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2025.113575
Zhang, X., Li, H., Jiao, L., Shen, W., & Shcheretskyi, O. (2024). Effect of Rotational Speed on Microstructure and Properties of Al-Based Composite Reinforced with High-Entropy-Alloy Particles Fabricated by Friction Stir Processing. Advanced Engineering Materials, 2024, 26(23), Article 2401417. https://doi.org/10.1002/adem.202401417
Hui Li, Chuying Li, Yuanpeng Qiao1, Shengbo Lu, Feng Wang1, Caizhi Sun, Lei Jiao, Zatulovskiy Andrii, Shcheretskyi Volodymyr Preparation of in-situ ZrB2/A356 composites and high-temperature tribological studies// Materials Research Express Vol. 9, No. 4, (2022) https://doi.org/10.1088/2053-1591/ac62b6
V. Korzhyk, V. Khaskin, A. Grynyuk, S. Peleshenko, V. Kvasnytskyi, N. Fialko, O. Berdnikova, Y. Illiashenko, V. Shcheretskiy, Y. Yao Comparison of the features of the formation of joints of aluminum alloy 7075 (Al-Zn-Mg-Cu) by laser, microplasma, and laser-microplasma welding //Eastern-European Journal of Enterprise Technologies Vol. 1 No. 12(115), (2022), P. 38-47 https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.253378
Shcheretskyi, O.A., Sergiienko, R.A., & Verkovliuk, A.M. (2022). Development and smelting of casting high-entropy alloys based on the FeCoNiMnCr system. Casting Processes, 2(148), 50–59. https://doi.org/10.15407/plit2022.02.050
Yeh, J.-W. (2013). Alloy design strategies and future trends in high-entropy alloys. JOM, 65(12), 1759–1771. https://doi.org/10.1007/s11837-013-0761-6
Verkhovliuk, A.M., Sergiienko, R.A., Shcheretskyi, O.A., Serhiiko, R.S., Potrukh, O.G., Kanibolotsky, D.S., Byba, I.G., & Zhelezniak, О.V. (2024). Casting properties of high-entropy alloys of the FeNiCrCuAl and FeNiCrCuMn systems. Casting Processes, 4(158), 56–65. https://doi.org/10.15407//plit2024.04.056
Lakhnenko, V.L., Shcheretskyi, A.A., Apukhtin, V.V., & Gavrilyuk, K.V. (2005). Methodological aspects of determining the fluidity of alloys with significantly different thermophysical characteristics. Casting Processes, 3, 28–34. [in Russian].
Kao, Y.-F., Chen, T.-J., Chen, S.-K., & Yeh, J.-W. (2009). Microstructure and mechanical property of as-cast, -homogenized, and -deformed AlₓCoCrFeNi (0 ≤ x ≤ 2) high-entropy alloys. Journal of Alloys and Compounds, 488(1), 57–64.
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.08.090
Glezer, A. M., & Utevskaya, O. L. (1983). Development of a technique for measuring the mechanical properties of thin ribbon materials. In B. V. Molotilov (Ed.), Compositional precision materials (pp. 78–82). Metallurgiya. Moscow.
Shcheretskyi, O. A., Verkhovliuk, A. M., Sergiienko, R. A., & Zadorozhnyy, V. Y. (2021). Obtaining Nanostructured Materials by Heat Treatment of Amorphous Zirconium-Based Alloy. In O. Fesenko, & L. Yatsenko (Eds.), Nanooptics and Photonics, Nanochemistry and Nanobiotechnology, and Their Applications. NANO 2020 (pp. 257–271). Springer Proceedings in Physics, vol. 264, Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-030-74800-5_17
Menard, K. P. (2008). Dynamic Mechanical Analysis: A Practical Introduction (2nd ed.). CRC Press. https://doi.org/10.1201/9781420053135
Koval, Yu. M. , Odnosum, V. V., Slipchenko, V. M., Filatova, V. S., Filatov, A. S., Shcheretskyi, O. A., & Firstov, G. S. (2024). Influence of Grain Size on Shape Memory and Internal Friction in Cu69.26Al25.86Mn4.88 Alloy. Metallophysics and Advanced Technologies, 46(9), 933–941. https://doi.org/10.15407/mfint.46.09.0933
Ivanova, O., Shcheretsky, O., Podrezov, Y., & Karpets, M. (2017). Young's modulus and damping capacity of Ti3Sn intermetallic compound with 1 at% and 3 at% of Zr and Al additions. Materials Science and Engineering, 683, 252–255. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.12.030
Sergiienko R. A., Shcheretskyi O. A., Zadorozhnyy V. Y., Verkhovliuk A. M., & Louzguine-Luzgin D.V. (2019). Investigation of Zr55Cu30Al10Ni5 bulk amorphous alloy crystallization. Journal of Alloys and Compounds, 791, 477–482. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.03.270
Опубліковано
червня 24, 2025
Категорії
Авторське право (c) 2025 ПП "ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР"
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
Як цитувати
Shcheretskyi, O., Verkhovliuk, A., Sergiienko, R., Kanibolotsky, D., Shcheretskyi, V., & Dzevin, I. (2025). Chapter 3. Prospective compositions of heat-resistant high-entropy alloys for foundry production. в O. Kuzmin, O. Chemakina, A. Kuzmin, O. Zaporozhets, I. Dudarev, & L. Bal-Prylypko, In press. MODERN TRENDS IN CONSTRUCTION MATERIALS TECHNOLOGIES. Kharkiv: ПП "ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР". вилучено із https://monograph.com.ua/catalog/chapter/825/3723
