Structural and phase formation in a medium-entropy, highalloyed composition of the Al-Mg-Si-V-Cr-Mn-Fe-Ni-Cu system

Abstract

EN: Purpose. To obtain, in the simplest possible way, an alloy with a relatively low melting temperature for HEAs and MEAs, containing non-deficit components capable of dissolving in aluminum and exhibiting mutual solubility. The concentration of most components did not exceed 2.5–5 at.%, therefore the main was to increasing the mixing entropy was the number of elements included in the alloy composition. Research methods. The melt was prepared using a laboratory resistance furnace. Pure components and concentrated master alloys were used as charge materials, added gradually in small amounts to prevent the formation of refractory intermetallics. Melting was carried out in an alumina crucible at 1000 °C, which ensured dissolution and assimilation of all components. Results. Structural and phase characteristics of the experimental alloy were compared depending on the cristalization rate. When cooled with the furnace at a rate of 0.5 °C/s, a heterogeneous structure formed, represented mainly by three phases: an intermetallic of the Al₆Me type, based on Al₆Mn with dissolved Fe, Ni, Cr, and V; an intermetallic based on the Al₆Cu₂Ni-type phase, which by stoichiometry could be expressed as (Al,Ni)₂Cu; and the Mg₂Si phase. Rapid solidification at 5·10² °C/s resulted in some refinement of the structure and increased its homogeneity, but did not significantly change the phase composition. Notably, in the Al₆Me intermetallic, the higher-temperature compound Al₂₃V₄ became predominant. The formation of an intermetallic in the Al-Ni-Cu system under these conditions could correspond to a compound formation with the formula Al₂(Ni,Cu)₃. The Mg₂Si phase was observed as part of the eutectic (Mg₂Si+Si). Scientific novelty. A new approach to producing medium-entropy multicomponent alloys by resistance furnace melting has been demonstrated. The influence of cooling rate on phase formation in the Al-Mg-Si-V-Cr-Mn-Fe-Ni-Cu alloy has been revealed. Practical value. An approach has been developed for obtaining medium-entropy alloys from non-deficit components with a reduced melting temperature, which simplifies their synthesis. The results can be used for further studies of high-entropy and medium-entropy alloys. UK: Мета роботи. Одержати найбільш простим можливим способом сплав з відносно низькою для високоентропійного сплаву (ВЕС) та середньоентропійного сплаву (СЕС) температурою плавлення, який би містив недефіцитні компоненти, здатні розчинятися в алюмінії та мати взаємну розчинність. Концентрація більшості компонентів не могла перевищувати значення 2,5–5 % ат., тому основним засобом підвищення ентропії змішування слугувала кількість елементів, що входили до складу сплаву. Методи дослідження. Для приготування розплаву було використано лабораторну піч опору. В якості шихтових матеріалів використовували чисті компоненти і концентровані лігатурні добавки, які додавалися почергово і поступово у невеликих кількостях, щоб запобігти утворенню тугоплавких інтерметалідів. Плавлення відбувалось в алундовому тиглі при температурі 1000 ºС, що дало можливість розплавитись і засвоїтись всім компонентам. Отримані результати. Було проведено порівняння структурних та фазових характеристик експериментального сплаву в залежності від швидкості кристалізації. При охолодженні розплаву з піччю зі швидкістю 0,5 ºС/с формується неоднорідна структура, представлена переважно трьома фазами –інтерметалідом типу Al6Me, на основі Al6Mn, в якій розчинені залізо, нікель, хром та ванадій, інтерметалідом на основі фази типу Al6Cu2Ni, яка за стехіометрією могла б бути виражена формулою (Al,Ni)2Cu, та фазою Mg2Si. Швидка кристалізація 5·102 ºС/с сприяла певному подрібненню структури та збільшенню її однорідності, проте не призвела до помітних змін фазового складу. При цьому, варто відзначити, що в інтерметаліді типу Al6Me основою стала виступати більш високотемпературна сполука Al23V4. Формування інтерметаліду системи Al-Ni-Cu за даних умов могло б відповідати утворенню сполуки з формулою Al2(Ni,Cu)3. Фаза Mg2Si для даного зразку виділилась у складі евтектики (Mg2Si+Si). Наукова новизна. Показано підхід до виготовлення середньоентропійних багатокомпонентних сплавів методом плавки в печі опору. Показано вплив швидкості охолодження на фазоутворення в сплаві Al-Mg-Si-V-Cr-Mn-Fe-Ni-Cu. Практична цінність. Розроблено підхід до отримання середньоентропійних сплавів із недефіцитних компонентів та зниженою температурою плавлення, що спрощує їх синтез. Отримані результати можуть бути використані для подальших досліджень високоентропійних та середньоентропійних сплавів.