Напівемпірична кінетична модель фазової селекції у швидкозагартованих багатокомпонентних концентрованих сплавах

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15407/ujpe71.10.813

Ключові слова:

багатокомпонентнi концентрованi сплави, високоентропiйнi сплави, швидке твердiння, критична швидкiсть охолодження, фазова селекцiя, в’язкiсть розплаву, здатнiсть до аморфiзацiї, кiнетична модель

Анотація

Сформульовано напівемпіричну кінетичну модель фазової селекції в багатокомпонентних концентрованих сплавах за умов швидкого твердіння. Запропонований підхід ґрунтується на критичній швидкості охолодження, необхідній для пригнічення конкуруючих шляхів кристалізації, і поєднує топологічно залежне ранжування шляхів кристалізації, що ведуть до утворення ОЦК-, ГЦК- та ГЩУ-подібних структур (типів кристалічної ґратки), із поправкою на здатність до аморфізації. Модель включає топологічно залежну поправку до ефективної в'язкості розплаву та неперервний коригувальний множник здатності до аморфізації, що враховує ентальпію змішування, надлишкову ентропію й атомно-розмірну невідповідність. Порівняння з експериментальними та розрахунковими даними показує, що запропонований кінетичний критерій фазової селекції не лише визначає випадки, коли кінетично переважний тип ґратки відрізняється від прогнозованого за критерієм концентрації валентних електронів, а й успішно описує кінетичне пригнічення фазового розшарування та виявляє конкурентну багатофазну кристалізацію. Модель також дає змогу розрізняти сплави з високою та низькою здатністю до аморфізації. Запропонована модель дає змогу оцінювати кінетичну конкуренцію між шляхами кристалізації та визначати ймовірний кінетично домінуючий шлях у швидкозагартованих багатокомпонентних сплавах.

Посилання

1. J.-W. Yeh, S.-K. Chen, S.-J. Lin, J.-Y. Gan, T.-S. Chin, T.-T. Shun, C.-H. Tsau, S.-Y. Chang. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: Novel alloy design concepts and outcomes. Adv. Eng. Mater. 6, 299 (2004).

https://doi.org/10.1002/adem.200300567

2. B. Cantor, I.T.H. Chang, P. Knight, A.J.B. Vincent. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. Mater. Sci. Eng. A 375-377, 213 (2004).

https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.257

3. K. Biswas, N.P. Gurao, T. Maiti, R.S. Mishra. High Entropy Materials: Processing, Properties, and Applications (Springer Nature Singapore, 2022) [ISBN: 978-981-19-3919-8].

https://doi.org/10.1007/978-981-19-3919-8

4. H. Xiang, F.-Z. Dai, Y. Zhou. High-Entropy Materials: From Basics to Applications (Wiley-VCH, 2023) [ISBN: 978-3-527-35035-3].

5. Functional High Entropy Alloys and Compounds. Edited by Y. Zhang, Y. Yao, H. Liu (Wiley-VCH, 2025) [ISBN: 978-3-527-35437-5].

6. D.B. Miracle, O.N. Senkov. A critical review of high entropy alloys and related concepts. Acta Mater. 122, 448 (2017).

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.081

7. W. Zhijun, S. Guo, C.T. Liu. Phase selection in high-entropy alloys: from nonequilibrium to equilibrium. JOM: the journal of the Minerals, Metals & Materials Society 66, 1966 (2014).

https://doi.org/10.1007/s11837-014-0953-8

8. J. Kitagawa, H. Ueta, Y. Watanabe, T. Seki, Y. Mizuguchi, T. Nishizaki. Superconducting properties of eutectic high-entropy alloy superconductor NbScTiZr. Mater. Today Commun. 40, 109690 (2024).

https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.109690

9. Yu.M. Koval, V.S. Filatova, V.V. Odnosum, O.A. Shcheretskyi, G.S. Firstov. Elasticity at martensitic inelastic behaviour for industrial NiTi, CuAlMn and novel high-entropy TiZrHfCoNiCu shape-memory alloys. Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 47, 1281 (2025).

10. M. Nahavandian, E. Aydogan, J. Byggmästar, M.A. Tunes, O. El-Atwani, E. Martinez. Design kinetic parameters for improved resilience of materials under irradiation. Mater. Des. 257, 114419 (2025).

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114419

11. L. Zhang, L. Banko, W. Schuhmann, A. Ludwig, M. Stricker. Composition-property extrapolation for compositionally complex solid solutions based on word embeddings. Digit. Discovery 4, 1578 (2025).

https://doi.org/10.1039/D5DD00169B

12. O.I. Kushnerov, S.I. Ryabtsev, P.O. Galagan, V.F. Bashev. Experimental validation of semi-empirical parameters for phase prediction in rapid-quenched and as-cast high-entropy alloys. J. Phys. Electron. 33, 22 (2025).

https://doi.org/10.15421/332503

13. O.I. Kushnerov, V.F. Bashev. Structure and physical properties of cast and splat-quenched CoCr0.8Cu0.64FeNi high entropy alloy. East Eur. J. Phys. 3, 43 (2021).

https://doi.org/10.26565/2312-4334-2021-3-06

14. O.I. Kushnerov, S.I. Ryabtsev, V.F. Bashev. Metastable states and physical properties of Co-Cr-Fe-Mn-Ni high-entropy alloy thin films. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 750, 135 (2023).

https://doi.org/10.1080/15421406.2022.2073043

15. V.A. Dekhtyarenko, V.K. Nosenko, V.V. Kyrylchuk, A.V. Nosenko, O.M. Semyrga, I.K. Yevlash, V.I. Bondarchuk. Amorphous alloys as a promising class of functional materials. Pt. 1: Manufacturing methods, structure, physical and mechanical properties. Prog. Phys. Met. 26, 598 (2025).

https://doi.org/10.15407/ufm.26.03.598

16. V. Girzhon, V. Yemelianchenko, O. Smolyakov. High entropy coating from AlCoCrCuFeNi alloy, obtained by laser alloying. Acta Metall. Slovaca 29, 44 (2023).

https://doi.org/10.36547/ams.29.1.1710

17. V.V. Girzhon, V.V. Yemelianchenko. Obtaining high-entropy alloys by the laser alloying method: experimental results and theoretical calculations. Prog. Phys. Met. 26, 727 (2025).

https://doi.org/10.15407/ufm.26.04.727

18. X. Yang, Y. Zhang. Prediction of high-entropy stabilized solid-solution in multi-component alloys. Mater. Chem. Phys. 132, 233 (2012).

https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2011.11.021

19. A. Takeuchi, A. Inoue. Quantitative evaluation of critical cooling rate for metallic glasses. Mater. Sci. Eng. A 304-306, 446 (2001).

https://doi.org/10.1016/S0921-5093(00)01446-5

20. A. Takeuchi, A. Inoue. Classification of bulk metallic glasses by atomic size difference, heat of mixing and period of constituent elements and its application to characterization of the main alloying element. Mater. Trans. 46, 2817 (2005).

https://doi.org/10.2320/matertrans.46.2817

21. D.R. Uhlmann. A kinetic treatment of glass formation. J. Non-Cryst. Solids 7, 337 (1972).

https://doi.org/10.1016/0022-3093(72)90269-4

22. H.A. Davies, J. Aucote, and J.B. Hull. The kinetics of formation and stabilities of metallic glasses. Scr. Metall. 8, 1179 (1974).

https://doi.org/10.1016/0036-9748(74)90492-X

23. G. Shao, P. Tsakiropoulos. Prediction of phase selection in rapid solidification using time dependent nucleation theory. Acta Metall. Mater. 42, 2937 (1994).

https://doi.org/10.1016/0956-7151(94)90391-3

24. V.V. Girzhon, V.V. Yemelianchenko, O.V. Smolyakov, A.S. Razzokov. Analysis of structure formation processes features in high-entropy alloys of Al-Co-Cr-Fe-Ni system during laser alloying. Results Mater. 15, 100311 (2022).

https://doi.org/10.1016/j.rinma.2022.100311

25. C. Chattopadhyay, A. Prasad, B.S. Murty. Phase prediction in high entropy alloys - a kinetic approach. Acta Mater. 153, 214 (2018).

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.05.002

26. M. Dufanets, V. Sklyarchuk, Yu. Plevachuk. Structure-sensitive properties of Cu-based binary subsystems of high-entropy Bi-Cu-Ga-Sn-Pb alloy. Ukr. J. Phys. 65, 1089 (2020).

https://doi.org/10.15407/ujpe65.12.1089

27. I. Budai, M.Z. Benkő, G. Kaptay. Comparison of different theoretical models to experimental data on viscosity of binary liquid alloys. Mater. Sci. Forum 537-538, 489 (2007).

https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.537-538.489

28. Smithells Metals Reference Book. 8th ed. Edited by W.F. Gale, T.C. Totemeier (Butterworth-Heinemann, 2004) [ISBN: 978-0-7506-7509-3].

29. L. Battezzati, A.L. Greer. The viscosity of liquid metals and alloys. Acta Metall. 37, 1791 (1989).

https://doi.org/10.1016/0001-6160(89)90064-3

30. Y. Zhang, Y.J. Zhou, J.P. Lin, G.L. Chen, P.K. Liaw. Solid-solution phase formation rules for multi-component alloys. Adv. Eng. Mater. 10, 534 (2008).

https://doi.org/10.1002/adem.200700240

31. G.A. Mansoori, N.F. Carnahan, K.E. Starling, T.W. Leland. Equilibrium thermodynamic properties of the mixture of hard spheres. J. Chem. Phys. 54, 1523 (1971).

https://doi.org/10.1063/1.1675048

32. O.I. Kushnerov, V.F. Bashev, S.I. Ryabtsev. Deposition and growth of the AlCoCuFeNi high-entropy alloy thin film: Molecular dynamics simulation. Springer Proc. Phys. 263, 419 (2021).

https://doi.org/10.1007/978-3-030-74741-1_28

33. O.I. Kushnerov, S.I. Ryabtsev, V.F. Bashev. Molecular dynamic simulation of multicomponent CoCrFeNiMn high-entropy alloy thin film deposition. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 769, 762 (2025).

https://doi.org/10.1080/15421406.2025.2504044

Завантаження

Опубліковано

2026-10-02

Номер

Розділ

Структура речовини

Як цитувати

Напівемпірична кінетична модель фазової селекції у швидкозагартованих багатокомпонентних концентрованих сплавах. (2026). Український фізичний журнал, 71(10), 813. https://doi.org/10.15407/ujpe71.10.813