ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 669.017
DOI: 10.18503/1995-2732-2025-23-2-111-118
Аннотация
Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки экономически доступных материалов, сочетающих высокую износостойкость, термостойкость и стабильность, для замены дорогостоящих кобальтовых сплавов в условиях растущих требований современного промышленного производства. Цель работы – комплексное термодинамическое моделирование температурной зависимости фазового состава, кристаллизации и изменения плотности высокоэнтропийных сплавов системы M(Cr30W5C1.5) (M = Co, Fe, Ni, Al, Mn) для оптимизации их эксплуатационных характеристик. Изучение возможностей влияния состава матрицы M на формирование кристаллических структур (ГЦК/ОЦК), карбидообразование (M7C3/M23C6) и характер изменения плотности позволило выявить ключевые закономерности этих процессов. Методы включали подход CALPHAD с применением программного комплекса Thermo-Calc (версия 2024a) и базы данных TCHEA5, а также моделирование неравновесной кристаллизации сплавов по методу Шейла. Результаты показали, что состав матрицы M определяет доминирующую кристаллическую структуру: в алюминийсодержащих системах стабилизируется ОЦК-фаза, тогда как в многокомпонентных сплавах на основе Co, Ni, Mn и Fe формируется матрица со структурой ГЦК (за исключением системы, в которой Fe является основой матрицы). Выявлены различия в карбидообразовании: в матрице на основе Co преобладает карбид M7C3, в большинстве других систем – M23C6, а в системах MnCoNiFe(Cr30W5C1.5) и CoNiFe(Cr30W5C1.5) наблюдается сосуществование разных карбидов. Моделирование плотности выявило, что алюминийсодержащие сплавы обладают на 20–25% меньшей плотностью и повышенным риском образования дефектов при кристаллизации, тогда как для систем на основе Co, Ni и Fe следует ожидать меньшего количества дефектов. Практическая значимость работы заключается в обнаружении перспективных систем MnCoNiFe(Cr30W5C1.5) и CoNiFe(Cr30W5C1.5), сочетающих стабильную ГЦК-матрицу, возможность управляемого карбидообразования и умеренные изменения плотности при кристаллизации, что актуально для создания новых сплавов, которые могут найти применение в аэрокосмической, энергетической и машиностроительной отраслях.
Ключевые слова
CALPHAD, модель Шейла, высокоэнтропийные сплавы, кристаллизация, ГЦК/ОЦК-структуры, плотность сплавов
Для цитирования
Моделирование фазового состава и кристаллизации сплавов M63.5Cr30W5C1.5 / Бодров Е.Г., Шабалина Д.А., Самодурова М.Н., Киселев М.В., Зайцева О.В., Трофимов Е.А. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2025. Т. 23. №2. С. 111-118. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2025-23-2-111-118
1. Deloro Stellite Group. URL: https://www.deloro.com (дата обращения: 12.10.2023).
2. Dwivedi, Dheerendra Kumar. Surface engineering: Enhancing life of tribological components // Springer India. 2018. 224 p. DOI: 10.1007/978-81-322-3779-2
3. Femtosecond laser joining of Stellite and stainless steel / David Fieser, Lingyue Zhang, Matthew Yao, Hugh Shortt, Peter Liaw, Anming Hu // Manufacturing Letters Volume 41, Supplement, October 2024, Pages 332-338. DOI: 10.1016/J.MFGLET.2024.09.039
4. Некрасов Р.Ю., Темпель О.А., Васьков Д.Е. Восстановление работоспособности крупногабаритных деталей с применением наплавки стеллитом // Известия ТулГУ. Технические науки. 2021. № 11. С. 431–435.
5. ГОСТ 21449-75. Прутки для наплавки. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1975. 32 с.
6. Воздвиженский В.М., Грачев В.А., Спасский В.В. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении. Москва: Машиностроение, 1984. 432 с.
7. High-entropy alloys / Murty B.S., Ranganathan S., Yeh J.W., Bhattacharjee P.P. // Elsevier Inc. 2019. 363 p.
8. Cantor, Brian. Fundamentals of Multicomponent High-Entropy Materials // Oxford University Press. 2024. 534 p. DOI: 10.1093/9780191986710.001.0001
9. High-entropy alloys: Fundamentals and applications / Michael C. Gao, Jien-Wei Yeh, Peter K. Liaw, Yong Zhang// Springer International Publishing, 2016. 516 p.
10. Yanchun Zhou, Huimin Xiang, Fu-zhi Dai. High‐Entropy Materials: From Basics to Applications // Wiley‐VCH GmbH, 2023. 261 p. DOI: 10.1002/9783527837205
11. Development of a new high entropy alloy for wear resistance: FeCoCrNiW0.3 and FeCoCrNiW0.3 + 5 at.% of C // Materials & Design. 2017, vol. 115, pp. 247-254.
12. Miracle D.B., Senkov O.N. Acta Materialia A critical review of high entropy alloys and related concepts // Acta Mater. 2017, vol. 122, pp. 448-511.
13. Thermodynamic modelling of a six component (C-Co-Cr-Ni-Ta-W) system for the simulation of Cobalt based alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2018, vol. 730, pp. 291-310.
14. Microstructure and Performance Characterization of a Novel Cobalt High-Entropy Alloy / Xueyao Wu, Rong Liu, Xiaozhou Zhang, and Matthew X. Yao // Metallurgical And Materials Transactions A 4066 – Volume 52A, 2021. doi: 10.1007/s11661-021-06365-8
15. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys / B. Cantor, I.T.H. Chang, P. Knight, A.J.B. Vincent // Materials Science and Engineering: A, 2004, 375-377(1-2 SPEC. ISS.), p. 213-218.
16. Thermodynamic database for multi-principal element alloys within the system Al-Co-Cr-Fe-Mn-Ni-C / Bengt Hallstedt, Mehdi Noori, Fabian Kies, Felix Oppermann, Christian Haase // Calphad. Volume 83, December 2023, 102644. DOI: 10.1016/J.CALPHAD.2023.102644
17. Strengthening mechanism in two-phase FeCoCrNiMnAl high entropy alloy coating / Yan Cui, Junqi Shen, Sunusi Marwana Manladan, Keping Geng, Shengsun Hu // Applied Surface Science Volume 530, 15 November 2020, 147205. DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.147205
18. Multiscale-phase-driven strength-ductility synergy in Fe3Cr2CoNiAlx high entropy alloys // Shu Xu,Xingshuo Liu, Rui Li, Xiaofeng Fan, Qingqi Liu, Aoxiang Li, Pengfei Yu , Yongyong Wang , Gong Li // Intermetallics Volume 156, May 2023, 107865 DOI: 10.1016/J.INTERMET.2023.107865