0,43 ат.% углерода повысили пластичность высокоэнтропийного сплава AlCrFeNi с 12,7% до 20,4% в слитках

Группа под руководством Сяоюй Бая и Чжицзюня Вана из Northwestern Polytechnical University (Сиань, Китай) совместно с Сяогуаном Фанем и Хёнсопом Кимом из POSTECH сообщила в The Innovation Insights, что углерод меняет характер кристаллизации эвтектических высокоэнтропийных сплавов (EHEA) с фазами ГЦК и B2. Добавка 0,43 ат.% углерода к базовому сплаву Al17Cr12Fe35Ni36 повысила относительное удлинение с 12,7% до 20,4% doi.orgThe Innovation Insightsdoi.orgОткрыть источник ↗.

Работа ограничена лабораторными слитками на основе AlCrFeNi, выплавленными в дуговой печи. Авторы рассматривают «углеродную инженерию» как дополнение к термодинамическому проектированию, а не как его замену.

Углерод как кинетический активатор эвтектической кристаллизации

Проектирование EHEA до сих пор опиралось на термодинамику: содержание алюминия подбирают так, чтобы фазы были сбалансированы. Авторы добавляют кинетический фактор, то есть вопрос о том, зарождаются ли фазы ГЦК и B2 с согласованными скоростями. Углерод вводили через лигатуру Fe-C doi.orgThe Innovation Insightsdoi.orgОткрыть источник ↗.

При 0,43 ат.% углерода первичная фаза B2 была подавлена, и вместо заэвтектической структуры образовалась полностью сопряжённая тонкопластинчатая эвтектика ГЦК/B2. По данным авторов, углерод уменьшает несоответствие решёток фаз и снижает порог переохлаждения для зарождения ГЦК примерно на 12% doi.orgThe Innovation Insightsdoi.orgОткрыть источник ↗.

При 3,34 ат.% углерода первыми кристаллизуются богатые хромом карбиды M7C3. Они обогащают окружающий расплав никелем и алюминием, а их полукогерентная граница способствует зарождению B2. Рост ГЦК и B2 перестаёт быть сопряжённым и идёт в виде отдельных дендритов, а остаточный расплав затвердевает как вторичная наноэвтектика ГЦК/M7C3 с высокой плотностью наноразмерных карбидов doi.orgThe Innovation Insightsdoi.orgОткрыть источник ↗.

Прочность, пластичность и механизмы деформации

У базового сплава предел текучести составил 497 МПа, удлинение 12,7%. Сплав с 0,43 ат.% углерода показал предел текучести 532 МПа и предел прочности при растяжении 1228 МПа при удлинении 20,4%. Сплав с 3,34 ат.% углерода достиг предела текучести 629 МПа и предела прочности 1293 МПа при удлинении 11,6% doi.orgThe Innovation Insightsdoi.orgОткрыть источник ↗.

Микроскопия указывает на два механизма. Атомы внедрения углерода повышают накопление дислокаций в ГЦК-фазе и способствуют согласованной работе нескольких систем скольжения, включая поперечное скольжение и наноджойникование. При высоком содержании углерода наноэвтектика ГЦК/M7C3 служит механическим переходным слоем, который смягчает передачу напряжений между мягкой ГЦК- и твёрдой B2-фазами, и структура деформируется совместно doi.orgThe Innovation Insightsdoi.orgОткрыть источник ↗.

Плотность сплавов составляет 7,15–7,20 г/см³, они изготовлены из недорогих элементов. В качестве следующих шагов авторы называют сочетание с термообработкой, деформационной обработкой и аддитивным производством doi.orgThe Innovation Insightsdoi.orgОткрыть источник ↗.