Сибирский государственный индустриальный университет (Новокузнецк, Россия)

С. В. Коновалов, проректор по научной и инновационной деятельности, заведующий кафедрой механики и машиностроения, доктор технических наук, konovalov@sibsiu.ru
В. К. Дробышев, научный сотрудник лаборатории электронной микроскопии и обработки изображений, аспирант кафедры обработки металлов давлением и материаловедения ЕВРАЗ ЗСМК, drobyshev_v.k@mail.ru
И. А. Панченко, заведующий лаборатории электронной микроскопии и обработки изображений, кандидат технических наук, panchenko_ia@sibsiu.ru
Е. М. Запольская, старший научный сотрудник лаборатории электронной микроскопии и обработки изображений, кандидат технических наук, vestnicsibgiu@sibsiu.ru
А. Р. Михно, директор научно-производственного центра «Сварочные процессы и технологии», welding@sibsiu.ru
В. М. Альжев, лаборант лаборатории электронной микроскопии и обработки изображений, alzhev_vm@sibsiu.ru

В настоящей работе выполнено сравнение двух технологических методов изготовления высокоэнтропийных сплавов системы Co – Cr – Fe – Mn – Ni: вакуумно-индукционного литья и проволочно-дуговой наплавки. Структура образцов сплавов, изготовленных литым способом, полностью состояла из гранецентрированной кубической решетки с ликвационным обогащением междендритных областей никелем и марганцем. Максимальная микротвердость достигала 155 HV при содержании 30 ат. % Mn и 10 ат. % Fe, однако параметр износа при этом был минимален и составил 8,81·10^-5 мм³/Нм. Оптимизация состава до Co₂₀Cr₂₀Fe₃₀Mn₁₀Ni₂₀ позволяет снизить до 2,09·10^-5 мм³/Нм, что в 4,2 раза ниже, чем у обогащенного марганцем аналога. Структура сплава при проволочно-дуговом изготовлении обусловлена выраженной структурной неоднородностью, возникающей вследствие быстрой кристаллизации и диффузии железа из подложки. Несмотря на микротвердость, изменяющуюся от 151 до 181 HV, образцы демонстрируют временное сопротивление разрыву 943 МПа и удлинение 36,8 %, что превосходит показатели литых аналогов. В литом состоянии, напротив, структура формируется в условиях более медленного охлаждения, что способствует дендритной ликвации и относительно низкой дисперсности структурных составляющих, ограничивая пластичность и износостойкость. Полученные результаты позволяют рассматривать дуговую наплавку как перспективный способ локального формирования износостойких функциональных слоев с высокой прочностью и вязкостью, тогда как литой способ пригоден для получения объемных заготовок с предсказуемой, но менее высокой износостойкостью. Предложены стратегии оптимизации: для литых сплавов регулирование соотношения марганца, железа и термическая обработка; для дуговых покрытий  контроль тепловложения и состава шихты для минимизации разбавления железом.

Исследование проводилось в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-00087-2401.

1. Chen K., Wei T., Li G., Chen M., Chen Y., Chang S., Yen H., Chen C. Mechanical properties and deformation mechanisms in CoCrFeMnNi high entropy alloys: A molecular dynamics study // Materials Chemistry and Physics. 2021. Vol. 271. P. 124912. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2021.124912
2. Farjam R., Akbari A., Nili-Ahmadabadi M., Shirazi H. Co50Cr20Ni20Fe5Mn5 high entropy alloy: Overcoming the strength-ductility trade-off of Cantor alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2023. Vol. 960. P. 173000. DOI: 10.1016/j.jallcom.2023.173000
3. George E., Curtin W., Tasan C. High entropy alloys: A focused review of mechanical properties and deformation mechanisms // Acta Materialia. 2020. Vol. 188. P. 435–474. DOI: 10.1016/j.actamat.2019.12.015
4. Kim J., Lim K., Won J., Na Y., Kim H. Mechanical properties and deformation twinning behavior of as-cast CoCrFeMnNi high-entropy alloy at low and high temperatures // Materials Science and Engineering A. 2018. Vol. 712. P. 108–113. DOI: 10.1016/j.msea.2017.11.081
5. Klimova M., Shaysultanov D., Semenyuk A., Zherebtsov S., Salishchev G., Stepanov N. Effect of nitrogen on mechanical properties of CoCrFeMnNi high entropy alloy at room and cryogenic temperatures // Journal of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 847. P. 156633. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.156633
6. Konovalov S., Gudala S., Panchenko I., Osinsev K., Chen X. Evolution of microstructure, mechanical properties and phase stability of CoCrFeMnNi high entropy alloys // Vacuum. 2024. Vol. 227. P. 113405. DOI: 10.1016/j.vacuum.2024.113405
7. Li H., Che P., Yang X., Huang Y., Ning Z., Sun J., Fan H. Enhanced tensile properties and wear resistance of additively manufactured CoCrFeMnNi high-entropy alloy at cryogenic temperature // Rare Metals. 2022. Vol. 41 (4). P. 1210–1216. DOI: 10.1007/s12598-021-01867-1
8. Nagarjuna C., Jeong K., Lee Y., Woo S., Hong S., Kim S., Hong S. Strengthening the mechanical properties and wear resistance of CoCrFeMnNi high entropy alloy fabricated by powder metallurgy // Advanced Powder Technology. 2022. Vol. 33 (6). P. 103519. DOI: 10.1016/j.apt.2022.103519
9. Otto F., Dlouhý A., Somsen C., Bei H., Eggeler G., George E. The influences of temperature and microstructure on the tensile properties of a CoCrFeMnNi high-entropy alloy // Acta Materialia. 2013. Vol. 61 (15). P. 5743–5755. DOI: 10.1016/j.actamat.2013.06.018
10. Shahmir H., Mehranpour M., Shams S., Langdon T. Twenty years of the CoCrFeNiMn high-entropy alloy: Achieving exceptional mechanical properties through microstructure engineering // Journal of Materials Research and Technology. 2023. Vol. 23. P. 3645–3668. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.01.181
11. Shim S., Moon J., Pouraliakbar H., Lee B., Hong S., Kim H. Toward excellent tensile properties of nitrogen-doped CoCrFeMnNi high-entropy alloy at room and cryogenic temperatures // Journal of Alloys and Compounds. 2022. Vol. 921. P. 163217. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.163217
12. Lu H., Wen M., Chen X., Jayalakshmia S. In-situ synthesis of Alx-Co-Cr-Ni high entropy alloys via twin-wire and arc additive manufacturing (T-WAAM): microstructure evolution and mechanical properties // Journal of Materials Science. 2024. Vol. 59 (28). P. 13251–13264. DOI: 10.1007/s10853-024-09968-9
13. Onawale O., Cobbinah P., Nzeukou R., Matizamhuka W. Synthesis Route, Microstructural Evolution, and Mechanical Property Relationship of High-Entropy Alloys (HEAs): A Review // Materials. 2021. Vol. 14 (11). P. 3065. DOI: 10.3390/ma14113065
14. Amar A., Wang M., Zhang L., Li J., Huang L., Yan H., Zhang Y., Lu Y. Additive manufacturing of VCoNi medium-entropy alloy: microstructure evolution and mechanical properties // Additive Manufacturing. 2023. Vol. 73. P. 103522. DOI: 10.1016/j.addma.2023.103522
15. Cui L., Feng S., Wang X. Microstructure and Mechanical Properties of High-Entropy Alloys CoCrFeNiAl by Welding // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 936. P. 1635–1640. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amr.936.1635
16. Liu J., Li J., Du X., Tong Y., Wang R., He D., Cai Z., Wang H. Microstructure and Mechanical Properties of Wire Arc Additively Manufactured MoNbTaWTi High Entropy Alloys // Materials. 2021. Vol. 14 (16). P. 4512. DOI: 10.3390/ma14164512
17. Oliveira J., Curado T., Zeng Z., Lopes J., Rossinyol E., Park J., Schell N., Fernandes F., Kim H. Gas tungsten arc welding of as-rolled CrMnFeCoNi high entropy alloy // Materials & Design. 2020. Vol. 189. P. 108505. DOI: 10.1016/j.matdes.2020.108505
18. Shen Q., Xue J., Zheng Z., Yu X., Ou N. Effects of deposition strategies on microstructure and mechanical properties of wire arc additive manufactured CoCrFeNiMo0.2 high-entropy alloy // Materials Science and Engineering A. 2024. Vol. 917. P. 147486. DOI: 10.1016/j.msea.2024.147486
19. Shen Q., Xue J., Yu X., Zheng Z., Ou N. Powder plasma arc additive manufacturing of CoCrFeNiWx high-entropy alloys: Microstructure evolution and mechanical properties // Journal of Alloys and Compounds. 2022. Vol. 926. P. 166245. DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.166245

20. Talbot A., Shang X., Wang W., Cheng C., Lyu T., Zou Y. Laser Remelting of a CrMnFeCoNi High-Entropy Alloy: Effect of Energy Density on Elemental Segregation // Advanced Engineering Materials. 2025. Vol. 27 (7). P. 2501194. DOI: 10.1002/adem.202501194
21. Li J., Chen H., Fang Q., Jiang C., Liu Y., Liaw P. Unraveling the dislocation–precipitate interactions in high-entropy alloys // International Journal of Plasticity. 2020. Vol. 133. 102819. DOI: 10.1016/j.ijplas.2020.102819
22. Xu D., Wang M., Li T., Wei X., Lu Y. A critical review of the mechanical properties of CoCrNi-based medium-entropy alloys // Microstructures. 2022. Vol. 2 (4). P. 2022001. DOI: 10.20517/microstructures.2021
23. Iams A., Keist J., Giannuzzi L., Palmer T. The Evolution of Oxygen-Based Inclusions in an Additively Manufactured Super-Duplex Stainless Steel // Metallurgical and Materials Transactions A. 2021. Vol. 52 (8). P. 3401–3412. DOI: 10.1007/s11661-021-06311-8