РОЗРОБКА СКЛАДІВ ВИСОКОЕНТРОПІЙНИХ СПЛАВІВ ДЛЯ ОТРИМАННЯ НАДТВЕРДИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ КУБІЧНОГО НІТРИДУ БОРУ: Procesi littâ, 2025, Vol 4 (162), 62-73
This work explores the prospects of developing new composite materials based on cubic boron nitride (cBN) using high-entropy alloys (HEAs) as a binding matrix. The research is driven by the need for next-generation tool materials capable of efficiently machining modern structural materials under ext...
Saved in:
| Date: | 2025 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
National Academy of Sciences of Ukraine, Physical-Technological Institute of Metals and Alloys of NAS of Ukraine
2025
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://plit-periodical.org.ua/index.php/plit/article/view/301 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Casting Processes |
Institution
Casting Processes| id |
oai:ojs2.localhost:article-301 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Casting Processes |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2025-12-06T13:19:42Z |
| collection |
OJS |
| language |
Ukrainian |
| topic |
кубічний нітрид бору високоентропійні сплави надтверді композити термодинамічний аналіз нітриди бориди |
| spellingShingle |
кубічний нітрид бору високоентропійні сплави надтверді композити термодинамічний аналіз нітриди бориди Щерецький, В.О. Каніболоцький, Д.С. Щерецький, О.А. Верховлюк, А.М. РОЗРОБКА СКЛАДІВ ВИСОКОЕНТРОПІЙНИХ СПЛАВІВ ДЛЯ ОТРИМАННЯ НАДТВЕРДИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ КУБІЧНОГО НІТРИДУ БОРУ: Procesi littâ, 2025, Vol 4 (162), 62-73 |
| topic_facet |
кубічний нітрид бору високоентропійні сплави надтверді композити термодинамічний аналіз нітриди бориди cubic boron nitride high-entropy alloys superhard composites thermodynamic analysis nitrides borides |
| format |
Article |
| author |
Щерецький, В.О. Каніболоцький, Д.С. Щерецький, О.А. Верховлюк, А.М. |
| author_facet |
Щерецький, В.О. Каніболоцький, Д.С. Щерецький, О.А. Верховлюк, А.М. |
| author_sort |
Щерецький, В.О. |
| title |
РОЗРОБКА СКЛАДІВ ВИСОКОЕНТРОПІЙНИХ СПЛАВІВ ДЛЯ ОТРИМАННЯ НАДТВЕРДИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ КУБІЧНОГО НІТРИДУ БОРУ: Procesi littâ, 2025, Vol 4 (162), 62-73 |
| title_short |
РОЗРОБКА СКЛАДІВ ВИСОКОЕНТРОПІЙНИХ СПЛАВІВ ДЛЯ ОТРИМАННЯ НАДТВЕРДИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ КУБІЧНОГО НІТРИДУ БОРУ: Procesi littâ, 2025, Vol 4 (162), 62-73 |
| title_full |
РОЗРОБКА СКЛАДІВ ВИСОКОЕНТРОПІЙНИХ СПЛАВІВ ДЛЯ ОТРИМАННЯ НАДТВЕРДИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ КУБІЧНОГО НІТРИДУ БОРУ: Procesi littâ, 2025, Vol 4 (162), 62-73 |
| title_fullStr |
РОЗРОБКА СКЛАДІВ ВИСОКОЕНТРОПІЙНИХ СПЛАВІВ ДЛЯ ОТРИМАННЯ НАДТВЕРДИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ КУБІЧНОГО НІТРИДУ БОРУ: Procesi littâ, 2025, Vol 4 (162), 62-73 |
| title_full_unstemmed |
РОЗРОБКА СКЛАДІВ ВИСОКОЕНТРОПІЙНИХ СПЛАВІВ ДЛЯ ОТРИМАННЯ НАДТВЕРДИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ КУБІЧНОГО НІТРИДУ БОРУ: Procesi littâ, 2025, Vol 4 (162), 62-73 |
| title_sort |
розробка складів високоентропійних сплавів для отримання надтвердих композитів на основі кубічного нітриду бору: procesi littâ, 2025, vol 4 (162), 62-73 |
| title_alt |
DEVELOPMENT OF HIGH-ENTROPY ALLOY COMPOSITIONS FOR THE PRO- DUCTION OF SUPERHARD COMPOSITES BASED ON CUBIC BORON NITRIDE: Procesi littâ, 2025, Vol 4 (162), 62-73 |
| description |
This work explores the prospects of developing new composite materials based on cubic boron nitride (cBN) using high-entropy alloys (HEAs) as a binding matrix. The research is driven by the need for next-generation tool materials capable of efficiently machining modern structural materials under extreme conditions where the properties of traditional cBN-based composites are no longer sufficient. The unique properties of cBN make it a key enabling material for cutting tools. However, the consolidation of cBN presents fundamental challenges due to its strong covalent bonds, which require the application of extreme pressures and temperatures, thus necessitating the use of binding materials. Existing traditional metallic and ceramic binding agents have significant drawbacks: metallic binders have low softening temperatures, while ceramic binders are brittle and exhibit low thermal conductivity. In contrast, high-entropy alloys combine high strength, wear resistance, and, crucially, exceptional thermal stability inherent to their specific structure. Nevertheless, the successful development of HEA/cBN composites depends on overcoming a number of critical challenges: controlling interfacial interactions, managing porosity, and minimizing residual stresses. This necessitates predictive methods, including the application of thermodynamic modeling to forecast interactions across a wide temperature range. Given the fragmented and limited availability of specialized thermodynamic databases for HEA systems, this work proposes a combinatorial method of thermodynamic analysis. This approach is designed to predict optimal compositions of high-entropy alloys (HEAs) intended for the creation of composites based on cubic boron nitride (cBN). The developed model accounts for changes in the Gibbs free energy of the system during the formation of nitrides and borides at the HEA/cBN phase boundary, enabling assessment of the thermodynamic likelihood of their formation. The method is based on calculations of the mixing entropy of the HEA components and the formation energies of compounds of the AnBm type. A five-component system (Ni–Cr–Fe–Co–Al–Ti) was used for the analysis, where the contribution of each element to the change in Gibbs free energy upon interaction with cBN was taken into account. Calculations showed that aluminium, titanium, and zirconium are the most active elements that form stable nitrides and borides (AlN, TiB₂, ZrN) at temperatures up to 2000 °C. Results indicate that adding 5–10 at. % Al and Ti to the HEA promotes formation of a strong interfacial bond with cBN through the creation of thermally stable intermediate phases. Thermodynamic calculations also confirm that an excess of these elements can lead to undesirable delamination and failure of the composite. The proposed method makes it possible to reduce the number of experimental studies by pre-selecting promising systems via thermodynamic screening. |
| publisher |
National Academy of Sciences of Ukraine, Physical-Technological Institute of Metals and Alloys of NAS of Ukraine |
| publishDate |
2025 |
| url |
https://plit-periodical.org.ua/index.php/plit/article/view/301 |
| work_keys_str_mv |
AT ŝerecʹkijvo developmentofhighentropyalloycompositionsfortheproductionofsuperhardcompositesbasedoncubicboronnitrideprocesilitta2025vol41626273 AT kaníbolocʹkijds developmentofhighentropyalloycompositionsfortheproductionofsuperhardcompositesbasedoncubicboronnitrideprocesilitta2025vol41626273 AT ŝerecʹkijoa developmentofhighentropyalloycompositionsfortheproductionofsuperhardcompositesbasedoncubicboronnitrideprocesilitta2025vol41626273 AT verhovlûkam developmentofhighentropyalloycompositionsfortheproductionofsuperhardcompositesbasedoncubicboronnitrideprocesilitta2025vol41626273 AT ŝerecʹkijvo rozrobkaskladívvisokoentropíjnihsplavívdlâotrimannânadtverdihkompozitívnaosnovíkubíčnogonítriduboruprocesilitta2025vol41626273 AT kaníbolocʹkijds rozrobkaskladívvisokoentropíjnihsplavívdlâotrimannânadtverdihkompozitívnaosnovíkubíčnogonítriduboruprocesilitta2025vol41626273 AT ŝerecʹkijoa rozrobkaskladívvisokoentropíjnihsplavívdlâotrimannânadtverdihkompozitívnaosnovíkubíčnogonítriduboruprocesilitta2025vol41626273 AT verhovlûkam rozrobkaskladívvisokoentropíjnihsplavívdlâotrimannânadtverdihkompozitívnaosnovíkubíčnogonítriduboruprocesilitta2025vol41626273 |
| first_indexed |
2025-12-17T12:07:52Z |
| last_indexed |
2025-12-17T12:07:52Z |
| _version_ |
1851774501333762048 |
| spelling |
oai:ojs2.localhost:article-3012025-12-06T13:19:42Z DEVELOPMENT OF HIGH-ENTROPY ALLOY COMPOSITIONS FOR THE PRO- DUCTION OF SUPERHARD COMPOSITES BASED ON CUBIC BORON NITRIDE: Procesi littâ, 2025, Vol 4 (162), 62-73 РОЗРОБКА СКЛАДІВ ВИСОКОЕНТРОПІЙНИХ СПЛАВІВ ДЛЯ ОТРИМАННЯ НАДТВЕРДИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ КУБІЧНОГО НІТРИДУ БОРУ: Procesi littâ, 2025, Vol 4 (162), 62-73 Щерецький, В.О. Каніболоцький, Д.С. Щерецький, О.А. Верховлюк, А.М. кубічний нітрид бору високоентропійні сплави надтверді композити термодинамічний аналіз нітриди бориди cubic boron nitride high-entropy alloys superhard composites thermodynamic analysis nitrides borides This work explores the prospects of developing new composite materials based on cubic boron nitride (cBN) using high-entropy alloys (HEAs) as a binding matrix. The research is driven by the need for next-generation tool materials capable of efficiently machining modern structural materials under extreme conditions where the properties of traditional cBN-based composites are no longer sufficient. The unique properties of cBN make it a key enabling material for cutting tools. However, the consolidation of cBN presents fundamental challenges due to its strong covalent bonds, which require the application of extreme pressures and temperatures, thus necessitating the use of binding materials. Existing traditional metallic and ceramic binding agents have significant drawbacks: metallic binders have low softening temperatures, while ceramic binders are brittle and exhibit low thermal conductivity. In contrast, high-entropy alloys combine high strength, wear resistance, and, crucially, exceptional thermal stability inherent to their specific structure. Nevertheless, the successful development of HEA/cBN composites depends on overcoming a number of critical challenges: controlling interfacial interactions, managing porosity, and minimizing residual stresses. This necessitates predictive methods, including the application of thermodynamic modeling to forecast interactions across a wide temperature range. Given the fragmented and limited availability of specialized thermodynamic databases for HEA systems, this work proposes a combinatorial method of thermodynamic analysis. This approach is designed to predict optimal compositions of high-entropy alloys (HEAs) intended for the creation of composites based on cubic boron nitride (cBN). The developed model accounts for changes in the Gibbs free energy of the system during the formation of nitrides and borides at the HEA/cBN phase boundary, enabling assessment of the thermodynamic likelihood of their formation. The method is based on calculations of the mixing entropy of the HEA components and the formation energies of compounds of the AnBm type. A five-component system (Ni–Cr–Fe–Co–Al–Ti) was used for the analysis, where the contribution of each element to the change in Gibbs free energy upon interaction with cBN was taken into account. Calculations showed that aluminium, titanium, and zirconium are the most active elements that form stable nitrides and borides (AlN, TiB₂, ZrN) at temperatures up to 2000 °C. Results indicate that adding 5–10 at. % Al and Ti to the HEA promotes formation of a strong interfacial bond with cBN through the creation of thermally stable intermediate phases. Thermodynamic calculations also confirm that an excess of these elements can lead to undesirable delamination and failure of the composite. The proposed method makes it possible to reduce the number of experimental studies by pre-selecting promising systems via thermodynamic screening. Робота присвячена перспективам створення нових композиційних матеріалів на основі кубічного нітриду бору (cBN) з використанням високоентропійних сплавів (ВЕС) як зв’язуючої фази. Ці дослідження викликані потребою в інструментальних матеріалах нового покоління, здатних забезпечити ефективну обробку сучасних конструкційних матеріалів в екстремальних умовах, коли властивостей традиційних композитів на основі cBN вже недостатньо. Наявні традиційні металеві та керамічні зв’язуючі добавки мають суттєві недоліки: металеві — низьку температуру розм’якшення, а керамічні — крихкість та низьку теплопровідність. У той же час ВЕС поєднують високу міцність, зносостійкість, а головне, термостабільність, що випливає з особливостей їх структури. Проте одержання композитів ВЕС/cBN залежить від подолання низки критичних завдань: контролю міжфазної взаємодії, пористості та залишкових напружень. Це вимагає прогнозування, у тому числі із застосування термодинамічного моделювання для розрахунку взаємодій у широкому інтервалі температур. Зважаючи на фрагментарність і малу доступність спеціалізованих баз термодинамічних даних для систем ВЕС, в роботі запропоновано комбінаторний метод термодинамічного аналізу для прогнозування оптимальних складів високоентропійних сплавів (ВЕС), призначених для створення композитів на основі кубічного нітриду бору (cBN). Розроблена модель враховує зміну енергії Гіббса системи при утворенні нітридів та боридів на межі фаз ВЕС/cBN, що дозволяє оцінити термодинамічну ймовірність їх утворення. Метод базується на розрахунку ентропії змішування компонентів ВЕС та енергії утворення сполук типу AnBm. Для аналізу використано п’ятикомпонентну систему (Ni–Cr–Fe–Co–Al–Ti), для якої враховано внесок кожного елемента у зміну енергії Гіббса при взаємодії з cBN. Розрахунки показали, що алюміній і титан є найбільш активними елементами, які утворюють стабільні нітриди та бориди (AlN, TiB₂) при температурах до 2000 °C. Результати розрахунку показують, що додавання 5–10 ат. % Al і Ti до ВЕС сприяє формуванню міцної міжфазної межі з cBN за рахунок утворення термостабільних проміжних фаз. Термодинамічні розрахунки також підтверджують, що надлишок цих елементів може призводити до небажаного розшарування і руйнування композиту. Запропонований метод дозволяє зменшити кількість експериментальних досліджень за рахунок попереднього термодинамічного відбору перспективних систем. National Academy of Sciences of Ukraine, Physical-Technological Institute of Metals and Alloys of NAS of Ukraine 2025-12-05 Article Article application/pdf https://plit-periodical.org.ua/index.php/plit/article/view/301 10.15407/plit2025.04.062 Casting processes; Casting processes №4 (162) 2025; 62-73 Процеси лиття; Процеси лиття №4 (162) 2025; 62-73 2707-1626 0235-5884 uk https://plit-periodical.org.ua/index.php/plit/article/view/301/304 https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |