Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов
Основан в 2009 году

Рентгеновские дифракционные исследования процесса роста тонких пленок высокоэнтропийного сплава TiNbZrTaHfCu in situ с использованием синхротронного излучения

Ю.Ф. Иванов1, Ю.Х. Ахмадеев1, А.А. Клопотов2, Н.А. Прокопенко1, Е.А. Петрикова1, О.В. Крысина1, В.В. Шугуров1, А.Н. Шмаков3, В.Ю. Лавров2

1 ФГБУН «Институт сильноточной электроники» Сибирского отделения РАН
2 «Томский государственный архитектурно-строительный университет»
3 ФГБУН «Институт катализа им. Г.К. Борескова» Сибирского отделения РАН

DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.140

Оригинальная статья

Аннотация: Высокоэнтропийные сплавы на основе тугоплавких металлов, обладающие необычным сочетанием физико-механических, трибологических, электрофизических и т. д. свойств, могут быть рекомендованы для использования в различных областях промышленности и медицины. Целью работы является исследование процесса роста пленок высокоэнтропийных сплавов системы Ti-Nb-Zr-Ta-Hf-Cu в режиме реального времени методом рентгенофазового анализа с использованием синхротронного излучения. Эксперименты по нанесению многоэлементных пленок металлов проводили на установке ВЭИПС-1, разработанной в Институте сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук для исследования процессов формирования пленок и покрытий на источнике синхротронного излучения. Процесс формирования структуры тонких пленок in situ с высоким временным разрешением изучали, используя источник синхротронного излучения –накопитель электронов ВЭПП-3 (Институт ядерной физики Сибирского отделения Российской академии наук). Показано, что осаждение на подложку ВК8 плазмы состава Ti-Nb-Zr-Ta-Hf-Cu сопровождается формированием аморфно-кристаллического состояния, представленного фазами состава (предположительно) Ti-Nb-Zr-Ta-Hf-Cu, TiZr, NbZr и CuTiZr, формирующимися на различных этапах напыления пленки. Основной является фаза состава Ti-Nb-Zr-Ta-Hf-Cu.

Ключевые слова: высокоэнтропийный сплав, тугоплавкие металлы, синхротронное излучение, фазовый состав, легирование медью

  • Иванов Юрий Федорович – д.ф.-м.н., главный научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники, ФГБУН «Институт сильноточной электроники» Сибирского отделения РАН
  • Ахмадеев Юрий Халяфович – к.т.н., заведующий лабораторией плазменной эмиссионной электроники, ФГБУН «Институт сильноточной электроники» Сибирского отделения РАН
  • Клопотов Анатолий Анатольевич – д.ф.-м.н., профессор кафедры Прикладной механики и материаловедения, «Томский государственный архитектурно-строительный университет»
  • Прокопенко Никита Андреевич – младший научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники, ФГБУН «Институт сильноточной электроники» Сибирского отделения РАН
  • Петрикова Елизавета Алексеевна – младший научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники, ФГБУН «Институт сильноточной электроники» Сибирского отделения РАН
  • Крысина Ольга Васильевна – к.т.н., научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники, ФГБУН «Институт сильноточной электроники» Сибирского отделения РАН
  • Шугуров Владимир Викторович – научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники, ФГБУН «Институт сильноточной электроники» Сибирского отделения РАН
  • Шмаков Александр Николаевич – д.ф.-м.н., главный научный сотрудник, ФГБУН «Институт катализа им. Г.К. Борескова» Сибирского отделения РАН
  • Лавров Валентин Юрьевич – студент 2 курса магистратуры, кафедра Прикладной механики и материаловедения, «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

Ссылка на статью:

Иванов, Ю.Ф. Рентгеновские дифракционные исследования процесса роста тонких пленок высокоэнтропийного сплава TiNbZrTaHfCu in situ с использованием синхротронного излучения / Ю.Ф. Иванов, Ю.Х. Ахмадеев, А.А. Клопотов, Н.А. Прокопенко, Е.А. Петрикова, О.В. Крысина, В.В. Шугуров, А.Н. Шмаков, В.Ю. Лавров // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 140-153. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.140.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Cantor, B. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys / B. Cantor, I.T.H. Chang, P. Knight, A.J.B. Vincent // Materials Science and Engineering: A. – 2004. − V. 375-377. − P. 213-218. DOI: 10.1016/j.msea.2003.10.257.
2. Yeh, J.-W. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: Novel alloy design concepts and outcomes / J.W. Yeh, S.-K. Chen, S.-J. Lin et al. // Advanced Engineering Materials. − 2004. − V.6. – I. 5. − P. 299-303. DOI: 10.1002/adem.200300567.
3. Senkov, O.N. Development and exploration of refractory high entropy alloys − a review / O.N. Senkov, D.B. Miracle, K.J. Chaput, J.-P. Couzinie // Journal of Materials Research. − 2018. − V. 33. − I. 19. − P. 3092-3128. DOI: 10.1557/jmr.2018.153.
4. Senkov, O.N. Refractory high-entropy alloys / O.N. Senkov, G.B. Wilks, D.B. Miracle et al. // Intermetallics. − 2010. − V. 18. − I. 9. − P. 1758-1765. DOI: 10.1016/j.intermet.2010.05.014.
5. Schuh, B. Thermodynamic stability and mechanical properties of nanocrystalline high-entropy alloys / B. Schuh // Doctoral Thesis. − Leoben: Erich Schmid Institute of Materials Science, 2018. − XII+126 p.
6. Senkov, O.N. Microstructure and elevated temperature properties of a refractory TaNbHfZrTi alloy / O.N. Senkov, J.M. Scott, S.V. Senkova et al. // Journal of Materials Science. − 2012. − V. 47. − I. 9. − P. 4062-4074. DOI: 10.1007/s10853-012-6260-2.
7. Senkov, O.N. Microstructure and room temperature properties of a high-entropy TaNbHfZrTi alloy / O.N. Senkov, J.M. Scott, S.V. Senkova et al. // Journal of Alloys and Compounds. − 2011. − V. 509. − I. 20. − P. 6043-6048. DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.02.171.
8. Coury, F.G. Solid-solution strengthening in refractory high entropy alloys / F.G. Coury, M. Kaufman, A.J. Clarke // Acta Materialia. − 2019. − V. 175. − P. 66-81. DOI: 10.1016/j.actamat.2019.06.006.
9. Jayaraj, J. Corrosion behavior and surface film characterization of TaNbHfZrTi high entropy alloy in aggressive nitric acid medium / J. Jayaraj, C. Thinaharan, S. Ningshen et al. // Intermetallics. − 2017. − V. 89. − P. 123-132. DOI: 10.1016/j.intermet.2017.06.002.
10. Manea, C.A. New HfNbTaTiZr high-entropy alloy coatings produced by electrospark deposition with high corrosion resistance / C.A. Manea, M. Sohaciu, R. Stefănoiu et al. // Materials. − 2021. − V. 14. − I. 15. − Art. № 4333. − 10 p. DOI: 10.3390/ma14154333.
11. Cheng, Z. Irradiation effects in high-entropy alloys and their applications / Z. Cheng, J. Sun, X. Gao et al. // Journal of Alloys and Compounds. − 2023. − V. 930. − Art. № 166768. − P.71. DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.166768.
12. Slobodyan, M. Recent advances and outstanding challenges for implementation of high entropy alloys as structural materials / M. Slobodyan, E. Pesterev, A. Markov // Materials Today Communications. − 2023. − V. 36. − Art.№ 106422. − 82 p. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2023.106422.
13. Koželj, P. Discovery of a superconducting high-entropy alloy / P. Koželj, S. Vortnik, A. Jelen et al. // Physical Review Letters. − 2014. − V. 113. − I. 10. − P. 107001-1-107001-5. DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.107001.
14. Zýka, J. Structure and mechanical properties of TaNbHfZrTi high entropy alloy / J. Zýka, J. Málek, Z. Pala et al. // 24th International Conference on Metallurgy and Materials (Metal 2015), June 3-5, 2015, Brno, Czech Republic: conference paper. – Ostrava: TANGER Ltd., 2015. – P. 1687-1692.
15. Eisenbarth, E. Biocompatibility of stabilizing elements of titanium alloys / E. Eisenbarth, D. Velten, M. Müller et al. // Biomaterials. − 2004. − V. 25. − I. 26. − P. 5705-5713. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2004.01.021.
16. Grandin, H.M. A review of titanium zirconium (TiZr) alloys for use in endosseous dental implants / H.M. Grandin, S. Berner, M. Dard // Materials. − 2012. − V. 5. − I. 8. − P. 1348-1360. DOI: 10.3390/ma5081348.
17. Biesiekierski, A. A new look at biomedical Ti-based shape memory alloys / A. Biesiekierski, J. Wang, M.A.-H. Gepreel, C. Wen // Acta Biomaterialia. − 2012. − V.8. − I. 5. − P. 1661-1669. DOI: 10.1016/j.actbio.2012.01.018.
18. Alven, S. Electrospun nanofibers/nanofibrous scaffolds loaded with silver nanoparticles as effective antibacterial wound dressing materials / S. Alven, B. Buyana, Z. Feketshane, B.A. Aderibigbe // Pharmaceutics. − 2021. − V. 13. − I. 7. − Art. № 964. − 18 p. DOI: 10.3390/pharmaceutics13070964.
19. Lee, D. Preparation of antibacterial chitosan membranes containing silver nanoparticles for dental barrier membrane applications / D. Lee, S.J. Lee, J.-H. Moon et al. // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. − 2018. − V. 66. − P. 196-202. DOI: 10.1016/j.jiec.2018.05.030.
20. Canales, D.A. Fabrication and assessment of bifunctional electrospun poly(l-lactic acid) scaffolds with bioglass and zinc oxide nanoparticles for bone tissue engineering / D.A. Canales, N. Piñones, M. Saavedra et al. // International Journal of Biological Macromolecules. − 2023. − V. 228. − P. 78-88. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2022.12.195.
21. Khan, A. ur R. Exploration of the antibacterial and wound healing potential of a PLGA/silk fibroin based electrospun membrane loaded with zinc oxide nanoparticles / A. ur R. Khan, K. Huang, Z. Jinzhong et al. // Journal of Materials Chemistry B. − 2021. − V. 9. − I. 5. − P. 1452-1465. DOI: 10.1039/D0TB02822C.
22. Al-Saeedi, S.I. Antibacterial potency, cell viability and morphological implications of copper oxide nanoparticles encapsulated into cellulose acetate nanofibrous scaffolds / S.I. Al-Saeedi, N.S. Al-Kadhi, G.M. Al-Senani et al. // International Journal of Biological Macromolecules. − 2021. − V. 182. − P. 464-471. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2021.04.013.
23. Hashmi, M. Copper oxide (CuO) loaded polyacrylonitrile (PAN) nanofiber membranes for antimicrobial breath mask applications / M. Hashmi, S. Ullah, I.S. Kim // Current Research in Biotechnology. − 2019. − V. 1. − P. 1-10. DOI: 10.1016/j.crbiot.2019.07.001.
24. Rai, M. Silver nanoparticles as a new generation of antimicrobials / M. Rai, A. Yadav, A. Gade // Biotechnology Advances. − 2009. − V.27. − I. 1. − P. 76-83. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2008.09.002.
25. Wang, L. The antimicrobial activity of nanoparticles: present situation and prospects for the future / L. Wang, C. Hu, L. Shao // International Journal of Nanomedicine. − 2017. − V. 12. − P. 1227-1249. DOI: 10.2147/IJN.S121956.
26. Lenis, J.A. Structure, morphology, adhesion and in vitro biological evaluation of antibacterial multi-layer HA−Ag−SiO2−TiN−Ti coatings obtained by RF magnetron sputtering for biomedical applications / J.A. Lenis, P. Rico, J.L.G. Ribelles et al. // Materials Science and Engineering: C. − 2020. − V. 116. − Art. № 111268. − 50 p. DOI: 10.1016/j.msec.2020.111268.
27. He, X. Biocompatibility, corrosion resistance and antibacterial activity of TiO2/CuO coating on titanium / X. He, G. Zhang, X. Wang et al. // Ceramics International. – 2017. – V. 43. – No. 18. – P. 16185-16195. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.08.196.
28. Heidenau, F. A novel antibacterial titania coating: metal ion toxicity and in vitro surface colonization / F. Heidenau, W. Mittelmeier, R. Detsch, M. Haenle, F. Stenzel, G. Ziegler, H. Gollwitzer // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. – 2005. – V. 16. – I. 10. – P. 883-888. DOI: 10.1007/s10856-005-4422-3.
29. Ivanov, Yu.F. Structure and properties of a HfNbTaTiZr cathode and a coating formed through its vacuum arc evaporation / Yu.F. Ivanov, Yu.H. Akhmadeev, N.A. Prokopenko et al. // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. – 2023. – V. 87. – I. 2. suppl. – P. S250-S256. DOI: 10.1134/S1062873823704701.
30. Иванов, Ю.Ф. Особенности структурно-фазового состояния пленки на основе высокоэнтропийного сплава AlNbTiZiCu, синтезированной путем осаждения многоэлементной металлической плазмы / Ю.Ф. Иванов, Ю.А. Абзаев, А.А. Клопотов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2021. – Вып. 13. – С. 693-707. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.693.
31. Binary alloy phase diagrams; ed. by T.B. Massalski: in 2 volumes. – Ohio: ASM International, Materials Park, 1986. – XIII+2224 p.
32. Khegai, I.K. Examination of the Ti–Zr–Nb system / I.K. Khegai, P.B. Budberg // Russian Metallurgy (Metally). – 1971. – № 1. – P. 141-144.
33. Arroyave, R. Kaufman L. Thermodynamic assessment of the Cu–Ti–Zr system / R. Arroyave, T.W. Eagar, L. Kaufman // Journal of Alloys and Compounds. – 2003. – V. 351. – I. 1-2. – P. 158-170. DOI: 10.1016/S0925-8388(02)01035-6.
34. Григорович, В.К. Периодический закон Менделеева и электронное строение металлов: К 100-летию со дня открытия периодического закона / В.К. Григорович; ред. А. М. Самарин. – М.: Наука, 1966. – 287 с.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒