Refractory TaTiNb, TaTiNbZr, and TaTiNbZrX (X = Mo, W) high entropy alloys by combined use of high energy ball milling and spark plasma sintering: Structural characterization, mechanical properties, electrical resistivity, and thermal conductivity

Refractory TaTiNb, TaTiNbZr, and TaTiNbZrX (X = Mo, W) high entropy alloys were synthesized by combined use of high energy ball milling (HEBM) and spark plasma sintering (SPS). Powders of predominantly bcc TaTiNbZrX (X = Mo, W) refractory high entropy alloys (RHEAs) were successfully prepared by short-term HEBM (60 min) and then SPS-consolidated at 1373 K for 10 mi

Наноструктурированный градиентный материал на основе псевдосплава Cu-Cr-W, полученный методами высокоэнергетической механической обработки и искрового плазменного спекания

This study was conducted to obtain nanostructured mechanically activated composite particles from immiscible metals Cu, Cr and 5÷70 wt.% W, nanostructured bulk materials based on them and Cu / Cu—Cr—W nanostructured gradient material with different tungsten content by combined short-term (up to 150 min) high-energy ball milling (HEBM) and spark plasma sintering (SPS). Cu— Cr—W mechanically activated composites were obtained by HEBM of Cu + Cr + (5÷70 wt.%)W powder mixtures in the Activator-2S ball planetary mill at the rotating speed of 1388 rpm for the grinding chamber and 694 rpm for the planetary disk in an argon atmosphere for 150 min. Cu—Cr—W mechanically activated composite particles were consolidated by SPS in the temperature range of 800— 1000 °C at a pressure of 50 MPa for 10 min. The nanostructured gradient sintered material based on Cu—Cr—W pseudo alloys was pressed layer by layer in the following sequence (from pure copper to pseudo alloy with increasing tungsten content): Cu / Cu—Cr—5%W / Cu—Cr—15%W / Cu—Cr—70%W and sintered at 800 °C for 10 min. The crystal structure, microstructure, and properties of Cu— Cr—W mechanically activated composites and consolidated materials based on them were studied depending on production conditions. It was shown that the nanostructure formed in mechanically activated composites at the short-term HEBM stage (up to 150 min) was preserved for all Cu—Cr—W (5÷70 wt.% W) compounds after SPS. Based on SEM and EDX, refractory particles of W (d ~ 20÷100 nm) and Cr (d ~ 20÷50 nm) were uniformly distributed in the material volume (in the copper matrix). The hardness of Cu—Cr—W (15 wt.% W) bulk samples obtained from nanostructured powder mixtures (after 150 min HEBM) by SPS at 800 °C was approximately 6 times higher than the hardness of samples sintered from the mixture of starting components (without HEBM). For the Cu—Cr—70%W nanostructured compound (tsps = 1000 °С) the hardness value was ~3 times higher than that for microcrystalline analogues. The highest re­lative density of 0.91 was achieved for Cu—Cr—15%W and Cu—Cr—70%W samples. Electrical resistivity for nanostructured Cu—Cr—W composites were 2 times higher than for microcrystalline samples. Apparently, this is due to an increase in grain boundaries and various defects accumulated in the material at the HEBM stage. The obtained results show that combined short-term HEBM and subsequent SPS is a promising way to produce nanocrystalline Cu—Cr—W composites and gradient materials based on them.В настоящей работе сочетанием методов непродолжительной (до 150 мин) высокоэнергетической механической обработки (ВЭМО) и искрового плазменного спекания (ИПС) были получены наноструктурированные механокомпозиты из несмешивающихся между собой металлов Cu, Crи 5÷70 мас.% W, наноструктурированные консолидированные материалы на их основе и наноструктурированный градиентный материал Cu / Cu—Cr—W с различным содержанием вольфрама. Для получения механокомпозитов Cu—Cr—Wпроводилась ВЭМО порошковых смесей Cu+ Cr+ (5÷70мас.%)\W в шаровой планетарной мельнице Активатор-2S при скорости вращения барабанов 1388 об/мин и планетарного диска 694 об/мин в среде аргона в течение 150 мин. Консолидация механокомпозитов Cu—Cr—W осуществлялась методом ИПС при температурах 800—1000 °С, давлении 50 МПа в течение 10 мин. Наноструктурированный градиентный спеченный материал на основе Cu—Cr—W-псевдосплавов запрессовывался послойно в следующей последовательности (от чистой меди к псевдосплаву с увеличением массовой доли вольфрама): Cu / Cu— Cr—5%W / Cu—Cr—15%W / Cu-Cr-70%W и спекался при температуре 800 °C в течение 10 мин. Исследованы кристаллическая структура, микроструктура и свойства механокомпозитов Cu—Cr—W и консолидированных материалов на их основе в зависимости от условий получения. Показано, что наноструктура, сформированная в механокомпозитах на стадии непродолжительной ВЭМО (до 150 мин), сохранялась после ИПС для всех составов Cu—Cr—W(5÷70 мас.% W). По данным СЭМ и ЭДС тугоплавкие частицы W (d~ 20÷100 нм) и Cr (d~ 20÷50 нм) равномерно распределены в объеме материала (в медной матрице). Твердость консолидированных образцов Cu—Cr—15%W, полученных из наноструктурированных порошковых смесей (после 150 мин ВЭМО) методом ИПС при t= 800 °С в ~6 раз превышает твердость образцов, спеченных из смеси исходных компонентов (без ВЭМО). Для наноструктурированного состава Cu—Cr—70%W(tипс = 1000 °С) значение твердости было в ~3 раза выше, чем у ми­крокристаллических аналогов. Образцы Cu—Cr—15%W и Cu—Cr—70%Wобладали наибольшей относительной плотностью — до 0,91. Удельное электрическое сопротивление наноструктурированных композитов Cu—Cr—W приблизительно в 2 раза превышало этот показатель для микрокристаллических образцов. Это может быть обусловлено увеличением гра­ниц зерен и накоплением различного рода дефектов в материале на стадии ВЭМО. Полученные результаты показывают перспективность использования сочетания методов кратковременной ВЭМО и последующего ИПС для создания консолидированных нанокристаллических композитов Cu—Cr—Wи градиентных материалов на их основе

Структурные особенности высокоэнтропийного сплава HfTaTiNbZr, полученного методом высокоэнергетической механической обработки

The paper shows the possibility of obtaining the HfTaTiNbZr high-entropy alloy (HEA) of equimolar concentration from powder components using the method of high-energy ball milling (HEBM) and spark plasma sintering (SPS). Initial powders were processed for 20, 40, 60 and 90 min in a high-energy planetary ball mill. The surface morphology, microstructure, and phase composition studies of HEA samples showed that an HfTaTiNbZr multicomponent powder mixture undergoes significant structural changes during the HEBM process. It was found based on the X-ray phase analysis data that mill processing for 20 min leads to the formation of a solid solution based on Hf (Fm3m) with an FCC structure. Subsequent HEBM for 40 min contributes to the appearance of a solid solution based on Ta (Im3m) with a BCC structure. After 60 min of processing, the peaks of Hf and Ta based solid solutions on the X-ray diffraction pattern completely merge to form one common asymmetric peak within the ~35+51° angle range. It was found that the HfTaTiNbZr HEA with a BCC structure is formed after 90 min of HEBM. According to scanning electron microscopy (SEM), the material has a homogeneous structure, and EDX results showed that the initial elements of Ti, Hf, Ta, Nb, Zr are uniformly distributed in the material volume. Powders obtained after 90 min HEBM were sintered at t = 1150 and 1350 °C for 10 min. The X-ray phase analysis, SEM and EDX results of high-entropy alloys consolidated by the SPS at t = 1350 °С showed that the material mostly consists of one phase with a BCC structure and a small amount of Hf2Fe and ZrO. The hardness of the sintered HEA (10.7 GPa) exceeded the hardness of the material consolidated from initial element mixture (6.2 GPa) by 1.8 times. Densities of samples sintered at t = 1350 °С from the initial and HEA powders were 9.49 g/cm3 (95.8 %) and 9.87 g/cm3 (99.7 %), respectively.Методами высокоэнергетической механической обработки (ВЭМО) и искрового плазменного спекания (ИПС) получен высокоэнтропийный сплав (ВЭС) состава HfTaTiNbZr эквимолярной концентрации из порошковых компонентов. Обработку исходных порошков проводили в шаровой планетарной высокоэнергетической мельнице в течение 20, 40, 60 и 90 мин. На основе исследований морфологии поверхности, микроструктуры и фазового состава образцов ВЭС показано, что многокомпонентная порошковая смесь Hf + Ta + Ti + Nb + Zr претерпевает существенные структурные изменения в процессе ВЭМО. Исходя из данных рентгенофазового анализа (РФА) установлено, что обработка в мельнице в течение 20 мин приводит к образованию твердого раствора на основе Hf (Fm3m) с ГЦК-структурой. Последующая ВЭМО в течение 40 мин способствует образованию твердого раствора на основе Ta (Im3m) с ОЦК-структурой. После 60-минутной обработки на дифрактограмме пики твердых растворов на основе Hf и Ta полностью сливаются, образуя один общий асимметричный пик в интервале углов~35+51°. Выявлено, что формирование ВЭС состава HfTaTiNbZr с ОЦК-структурой наблюдается после 90 мин ВЭМО. По данным сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) материал имеет гомогенную структуру, результаты энергодисперсионного анализа показали, что исходные элементы Ti, Hf, Ta, Nb, Zr равномерно распределены в объеме материала. Порошки, полученные после 90 мин ВЭМО, спекались при t = 1150 и 1350 °С в течение 10 мин. Результаты РФА, СЭМ и энергодисперсионной спектрометрии высокоэнтропийных сплавов, консолидированных методом ИПС при t = 1350 °С, показали, что материал состоит преимущественно из одной фазы с ОЦК-структурой и небольшого количества Hf2Fe и ZrO. Твердость спеченного материала ВЭС (10,7 ГПа) превышала твердость консолидированного из смеси исходных элементов (6,2 ГПа) в 1,8 раза. Плотность спеченных при t = 1350 °С образцов из исходных и ВЭС-порошков составила 9,49 г/см3 (95,8 %) и 9,87 г/см3 (99,7 %) соответственно