Введение

В различных отраслях тяжелой промышленности, в частности в авиационной и космической, используются сплавы, разработанные для конкретных условий эксплуатации [1–3]. Основным принципом создания сплавов под определенную задачу является выбор материала основы (матрицы), обладающего требуемым комплексом характеристик, усиление или модификация которого впоследствии производится путем введения легирующих элементов. Данный принцип позволяет успешно создавать сплавы с уникальными свойствами, однако обеспечение термодинамического равновесия ограничивает предел растворимости легирующих компонентов в матрице. Это в свою очередь усложняет процесс получения наилучшего комплекса тех или иных характеристик.

Перспективное научно-техническое направление современного материаловедения ‒ создание высокоэнтропийных сплавов, которые за счет взаимного равномерного (в равных долях) смешения компонентов системы могут обеспечить более высокий уровень свойств, чем сплавы с одним матричным компонентом [4–10].

Зарубежные исследователи, работающие в данном направлении, нередко показывают превосходство средне- и высокоэнтропийных сплавов над современными конструкционными сплавами на железной, никелевой, титановой и других основах по жаропрочности, удельной прочности и износостойкости. В работах [11–13] на примере сплава GRX-810 показано, что за счет формирования высокой энтропии смешения в сплаве реализуется более высокая прочность при повышенных температурах, а также длительная прочность (в сравнении с современными жаропрочными никелевыми сплавами). Аналогично жаропрочности, удельная прочность при высоком показателе пластичности, реализуемая в высокоэнтропийных сплавах, превосходит удельную прочность комплексно-легированных сталей с метастабильной аустенитной структурой, упрочнение которых происходит за счет TRIP- и TWIP-эффектов [14–17]. Данные эффекты подробно рассмотрены в работах [14, 15].

В настоящее время наиболее изучены энтропийные сплавы на основе переходных элементов с незавершенной 3d-орбиталью ввиду высокой степени энтропии формируемой системы [18–20]. В свою очередь, увеличение степени энтропии системы за счет смешения компонентов позволяет обеспечить более высокий уровень эксплуатационных характеристик, включающих механические, физические и триботехнические свойства, а также коррозионную стойкость.

Предположительно особенности формирования структуры энтропийных сплавов системы Ni–Co–Cr позволяют использовать их для изготовления различных узлов агрегатов и хранилищ, посредством которых может проводиться транспортировка коррозионно-агрессивных веществ. Однако, помимо этого, в составе транспортируемых материалов также могут присутствовать и абразивные частицы, которые в свою очередь при перемещении приводят к интенсивному изнашиванию металлических поверхностей. Низкая стойкость материалов к контактно-деформационному воздействию при интенсивном изнашивании может приводить к ускоренному выходу из строя узлов агрегатов и снижению ресурса всего изделия.

Сплавы на никелевой основе в большинстве случаев обладают достаточно низкой износостойкостью ввиду объемного упрочнения без значительного искажения кристаллической решетки и формирования низких показателей твердости. Энтропийные сплавы системы Ni–Co–Cr также обладают низкими показателями твердости, однако за счет эквиатомного соотношения компонентов в кристаллической решетке могут обеспечивать высокую степень деформационного упрочнения. Ранее в работах [17, 21–23] показано, что сплавы на основе железа, обладающие высокой степенью деформационного упрочнения, могут эффективно работать в условиях интенсивного изнашивания контактных поверхностей при реализации сухого трения скольжения.

В рамках данной работы оценено сопротивление контактно-деформационному воздействию при интенсивном изнашивании поверхности литейного энтропийного сплава системы Ni–Co–Cr путем исследования триботехнических характеристик при испытаниях в условиях сухого трения скольжения.

Материалы и методы

Для исследований использовали энтропийные сплавы системы Ni–Co–Cr в литом состоянии следующих композиций с содержанием базовых компонентов, %:

Эквимассовое соотношение

Эквиатомное соотношение

Содержание легирующих элементов в сплавах NiCoCrWNbAlTiReC и NiCoCrWNbAlTiTaC составляет ~(5–7) %.

Слитки массой 1 кг из энтропийных сплавов получали вакуумно-индукционной выплавкой с разливом в подогретый до 200 °С тигель для исключения образования металлургических дефектов.

Металлографический анализ структур энтропийных сплавов после выплавки проводили методами световой микроскопии на оптическом конфокальном инвертированном микроскопе при увеличении ×100.

Твердость HV₁ перед трибологическими испытаниями и после них измеряли в соответствии с ГОСТ 2999–75 по методу Виккерса при нагрузке 1 кг (10 Н). Степень упрочнения дорожки скольжения после испытаний на изнашивание оценивали по коэффициенту k=HV₁`/HV<sub>1<sup>`</sup></sub> где HV₁‒ твердость дорожки скольжения после испытаний; HV₁ ‒ твердость образца до испытаний.

Исследования триботехнических характеристик проводили в условиях сухого трения скольжения с использованием трибометра по схеме «шарик–диск» при линейной скорости перемещения образца относительно контртела ~0,15 м/с и нагрузке 10 Н. Путь трения при испытании составил 500 м. Контртелом являлся шарик Ø6 мм из Al₂O₃. Для оценки пути трения до приработки L_пр использовали график кинетики изменения коэффициента сухого трения скольжения при фрикционном взаимодействии образца и контртела. Интенсивность изнашивания W (мм³/(Н·м)) рассчитывали по формуле [23]

W = ls/PL

где l, s – длина окружности (мм) и площадь поперечного сечения дорожки износа, мм²; P – нагрузка, H; L – путь трения, м.

Износ объема поверхности контртела ∆V_шар рассчитывали по формуле

где  d – диаметр пятна износа, мм; r– радиус шарика, мм; h – толщина изношенного сегмента, мм.

Фрактографический анализ дорожек износа проводили с применением настольного сканирующего электронного микроскопа при ускоряющем напряжении 5 кВ. Формирование изображения проводили с применением обратноотраженных электронов.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

В результате анализа научно-технической литературы установлено, что высокоэнтропийные сплавы за счет энтропии смешения могут обеспечивать высокий уровень характеристик в литом состоянии. В связи с этим для оценки сопротивления контактно-деформационному воздействию исследования и испытания образцов проводили в литом состоянии без применения дополнительных обработок.

Микроструктуры всех исследуемых энтропийных сплавов системы Ni–Co–Cr представляют собой разнозернистые дендритные структуры (рис. 1). Значительных отличий в формируемых структурах в литом состоянии у исследуемых сплавов не наблюдается.

Рис. 1. Микроструктуры (×100) энтропийных сплавов 1–6 (а–е) после литья

Перед испытаниями на изнашивание проведены измерения твердости образцов (рис. 2), по результатам которых установлено, что энтропийный сплав в эквимассовом состоянии 1 имеет твердость на 10 % больше по сравнению с эквиатомным сплавом 2. Введение дополнительных легирующих элементов в эквиатомное соотношение позволило увеличить твердость сплавов NiCoCrWNbAlTiReC (3) и NiCoCrWNbAlTiTaC (4‒6) на 20‒45 % по сравнению с эквиатомным сплавом Ni₃₃Co₃₃Cr_33.

В качестве контртела для проведения испытаний на изнашивание использовали шарик из Al₂O₃ с целью более качественной оценки контактно-деформационного воздействия и исключения адгезии образца и контртела в процессе фрикционного взаимодействия. Кинетика изменения коэффициента трения при фрикционном взаимодействии образца и контртела и полученные результаты по формируемой интенсивности изнашивания в процессе сухого трения скольжения представлены на рис. 3 и 4.

Рис. 2. Твердость энтропийных сплавов системы Ni–Co–Cr в литом состоянии

По результатам анализа изменения коэффициента трения в процессе испытаний (рис. 3, а, б) установлено, что все составы обладают достаточно стабильными средними коэффициентами трения, значения которых колеблются от 0,47 до 0,56 (рис. 3, в). Перераспределение компонентов и формирование эквиатомного сплава приводит к уменьшению пути трения до приработки на 33 % относительно эквимассового состава, а увеличение легирующих компонентов в составе приводит к его возрастанию. При этом наименьший путь трения до приработки формируется у сплава NiCoCrWNbAlTiReC.

Рис. 3. Кинетика изменения коэффициента трения энтропийных сплавов 1–3 (а) и 4–6 (б), средний коэффициент трения (в) и путь трения до приработки (г) при испытании на изнашивание в условиях сухого трения скольжения

Фрактографический анализ дорожек скольжения после испытаний на изнашивание (рис. 4) позволил установить следующее:

‒ для образца из эквимассового сплава наблюдаются множественные деформации, микротрещины и локальные выкрашивания поверхности;

‒ формирование эквиатомного состояния привело к увеличению повреждаемости, микротрещин и выркашиваний c поверхности дорожки скольжения в процессе фрикционного взаимодействия;

‒ упрочнение за счет легирующих элементов эквиатомного состава в сплавах 3‒5 привело к упрочнению матрицы, снижению податливости пластической деформации и повреждаемости дорожки скольжения и формированию микротрещин вдоль линий скольжения;

‒ для сплава 6 с содержанием тантала 3 % увеличилось количество выкрашиваний поверхности, частицы с которой попадают в зону контакта и формируют абразив, что приводит к увеличению интенсивности изнашивания.

Рис. 4. Фрактография поверхности (белыми стрелками указаны дефекты) после испытаний на изнашивание в условиях сухого трения скольжения энтропийных сплавов 1–6 (а–е)

Высокая стойкость поверхности к контактной деформации может являться следствием более высокой скорости приработки и формирования наименьшего пути трения до приработки.

По полученным результатам интенсивности изнашивания образцов (рис. 5, а) видно, что основной вклад в формирование износостойкости вносит изначальная твердость образцов, однако отсутствует полная корреляция – сплавы 3–5 имеют одинаковую твердость, но разную интенсивность изнашивания, а у образца сплава 6 с увеличением твердости снижается износостойкость.

Ранее в работах [17, 23] показано, что износостойкость сплавов на основе железа с гомогенной гранецентрированной кубической структурой может зависеть от степени упрочнения при пластической деформации во время фрикционного взаимодействия образца и контртела. В связи с этим проведены исследования степени упрочнения после испытаний на изнашивание путем измерения твердости дорожки скольжения и соотношения с твердостью образца до испытания HV₁. По результатам исследований  установлено (рис. 5, б), что наибольшей степенью упрочнения обладает эквиатомный сплав вследствие равномерного расположения компонентов в кристаллической решетке и высокой степени энтропии. В эквимассовом сплаве сформирована меньшая степень податливости пластической деформации, вследствие чего степень упрочнения и увеличение твердости на 52 % меньше. Данный эффект можно связать с образованием барьеров в виде интерметаллидных частиц и искажений кристаллической решетки для передвижения дислокаций. Введение легирующих элементов в эквиатомный состав также привело к значительному снижению податливости контактной деформации и степени упрочнения в ~2 раза, при этом легирование состава танталом ~3 % в большей степени привело к упрочнению твердого раствора. При анализе полученных данных методом регрессионного анализа и выявлении соотношения формируемой интенсивности изнашивания от степени упрочнения наблюдается практически линейная зависимость с высоким коэффициентом детерминации R = 0,972 (рис. 5, в). Исходя из этого, можно сделать вывод, что интенсивность изнашивания энтропийных сплавов данной выборки зависит от степени упрочнения, из-за чего происходят подповерхностное накопление дефектов вследствие пластической деформации, образование микротрещин и выкрашивание поверхности. Однако сплав, содержащий 3 % тантала, не подчиняется данной зависимости, что, по-видимому, связано с охрупчиванием вследствие упрочнения твердого раствора, перемещений продуктов износа в зону фрикционного контакта и активным изнашиванием поверхности.

В целом анализ результатов, по сравнению с другими сплавами, показывает, что энтропийные сплавы системы Ni–Co–Cr в литом состоянии обладают достаточно низкой износостойкостью и сопротивлением контактно-деформационным нагрузкам. В процессе триботехнического нагружения в условиях сухого трения скольжения на поверхности образцов формируются микротрещины и выкрашивания.

В связи с высокой степенью упрочнения при механическом воздействии, для повышения сопротивления контактно-деформационному воздействию и обеспечения более высокого комплекса триботехнических характеристик могут применяться методы горячей и холодной деформации, а также термической обработки, в связи с чем необходимо проводить дополнительные исследования в данном направлении.

Заключения

Развитие современного материаловедения связано с поиском новых материалов, методов их модификации и упрочнения, а также с анализом поведения материалов в различных условиях внешнего воздействия.

Одни из перспективных материалов ‒ высокоэнтропийные сплавы, в которых соотношение компонентов смешения равномерно, за счет чего реализуется уникальный комплекс их физико-механических характеристик.

В рамках исследований по оценке сопротивления контактно-деформационному воздействию в условиях интенсивного изнашивания поверхности установлено следующее:

‒ твердость эквимассового сплава на 10 % больше по сравнению с эквиатомным; введение дополнительных легирующих элементов приводит к увеличению твердости эквиатомного сплава на 20–45 %;

‒ во всех сплавах при фрикционном взаимодействии с контртелом из Al₂O₃ реализуется достаточно стабильный коэффициент трения, среднее значение которого колеблется от 0,47 до 0,56; наименьшим путем до приработки обладает сплав NiCoCrWNbAlTiReC;

‒ интенсивность изнашивания энтропийных сплавов в меньшей степени зависит от формируемой твердости и в большей ‒ от степени упрочнения при контактном взаимодействии: чем больше степень упрочнения, тем выше интенсивность изнашивания из-за накопленных подповерхностных дефектов и образования микротрещин и выкрашиваний. Однако для сплава с содержанием тантала 3 % данная зависимость не реализуется из-за возможного охрупчивания его поверхности вследствие упрочнения твердого раствора.

По сравнению с другими металлическими сплавами, энтропийные сплавы системы Ni–Co–Cr в литом состоянии обладают низкой износостойкостью в условиях контактно-деформационного нагружения.

Высокая степень деформационного упрочнения в процессе триботехнического нагружения позволяет сделать вывод, что повышение износостойкости энтропийных сплавов возможно путем применения методов горячей и холодной пластической деформации, а также последующей термической обработки.

Работы (исследования) выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Соглашение № 075-11-2021-085 от 22.12.2021).