A new refractory alloy, Ta20Nb20Hf20Zr20Ti20, produced by vacuum arc-melting followed by hot isostatic pressing (HIPing) at T = 1473 K and P = 207 MPa for 3 h has predominantly a single-phase body-centered cubic (BCC) structure with the lattice parameter a = 340.4 pm. The alloy density and Vickers microhardness are ρ = 9.94 g/cm3 and Hv = 3826 MPa. The alloy has high compression yield strength (σ0.2 = 929 MPa) and ductility (ɛ > 50%). The alloy shows considerable strain hardening and homogeneous deformation. A simple model of solid-solution strengthening is proposed to explain the behavior.

Abstract Recent multi-principal element, high entropy alloy (HEA) development strategies vastly expand the number of candidate alloy systems, but also pose a new challenge—how to rapidly screen thousands of candidate alloy systems for targeted properties. Here we develop a new approach to rapidly assess structural metals by combining calculated phase diagrams with simple rules based on the phases present, their transformation temperatures and useful microstructures. We evaluate over 130,000 alloy systems, identifying promising compositions for more time-intensive experimental studies. We find the surprising result that solid solution alloys become less likely as the number of alloy elements increases. This contradicts the major premise of HEAs—that increased configurational entropy increases the stability of disordered solid solution phases. As the number of elements increases, the configurational entropy rises slowly while the probability of at least one pair of elements favouring formation of intermetallic compounds increases more rapidly, explaining this apparent contradiction.

The microstructure, phase composition and mechanical properties of the AlMo0.5NbTa0.5TiZr and Al0.4Hf0.6NbTaTiZr high-entropy alloys are reported. The AlMo0.5NbTa0.5TiZr alloy consists of two body-centered cubic (bcc) phases with very close lattice parameters, a1 = 326.8 pm and a2 = 332.4 pm. One phase was enriched with Mo, Nb and Ta and another phase was enriched with Al and Zr. The phases formed nano-lamellae modulated structure inside equiaxed grains. The alloy had a density of ρ = 7.40 g cm−3 and Vickers hardness Hv = 5.8 GPa. Its yield strength was 2000 MPa at 298 K and 745 MPa at 1273 K. The Al0.4Hf0.6NbTaTiZr had a single-phase bcc structure, with the lattice parameter a = 336.7 pm. This alloy had a density ρ = 9.05 g cm−3, Vickers microhardness Hv = 4.9 GPa, and its yield strength at 298 K and 1273 K was 1841 MPa and 298 MPa, respectively. The properties of these Al-containing alloys were compared with the properties of the parent CrMo0.5NbTa0.5TiZr and HfNbTaTiZr alloys and the beneficial effects from the Al additions on the microstructure and properties were outlined. A thermodynamic calculation of the solidification and equilibrium phase diagrams was conducted for these alloys and the calculated results were compared with the experimental data.

Microstructure and mechanical properties of equimolar composition alloys FeCrCoNi, FeCrCoNiV, FeCrCoNiMn and FeCrCoNiMnV were studied in as-solidified and annealed conditions. The FeCrCoNi and FeCrCoNiMn alloys were single-phase FCC solid-solutions in both conditions. However, the FeCrCoNiV and FeCrCoNiMnV alloys consisted of the intermetallic σ-phase matrix with a tetragonal crystal lattice and precipitates of a disordered FCC phase. The crystal structures of these alloys were found to be not affected by annealing. A number of criteria were considered to explain phase composition of the studied alloys. It was shown that poor compatibility of V with other alloying elements caused significant distortions of FCC solid solution and thus promoted formation of the σ phase. Tensile and compressive properties of these alloys together with their microhardness were determined. Significant strengthening accompanied by the loss of ductility due to formation of the σ phase was demonstrated in the V containing alloys. The characteristics of the microstructure formation in the studied alloys were discussed.

The crystal structure, microstructure, density and Vickers hardness of four multi-principal element alloys, NbTiVZr, NbTiV2Zr, CrNbTiZr, and CrNbTiVZr, are reported. The characteristics of these potential new high-temperature structural alloys are explored. The alloys were prepared by vacuum arc melting followed by hot isostatic pressing (at 1200 °C, 207 MPa for 1 h) and homogenization annealing (at 1200 °C for 24 h). The alloys have densities of 6.52, 6.34, 6.67 and 6.57 g cm−3, and Vickers microhardness values of 3.29, 2.99, 4.10 and 4.72 GPa, respectively. The NbTiVZr alloy is essentially a single-phase alloy consisting of a coarse-grained disordered body-centered cubic (bcc) phase with fine, submicron-size precipitates inside the grains. The NbTiV2Zr alloy contains three disordered bcc phases. The CrNbTiZr and CrNbTiVZr alloys contain a disordered bcc phase and an ordered Laves phase. The lattice parameters and compositions of the identified phases are reported. The experimental data are compared with the results of the thermodynamic modeling of non-equilibrium and equilibrium phases in these alloys.

A topological approach based on analysis of atomic size distributions has been developed and applied to multicomponent amorphous alloys with different glass-forming ability. The atomic size distributions were obtained by plotting atomic concentrations versus atomic radii of constitutive elements. Ordinary amorphous alloys with high critical cooling rates were found to have single-peak distributions with a concave downward shape. These amorphous systems have at least one alloying element with a smaller radius, and at least one alloying element with a larger radius relative to the base element. The concentration of an alloying element decreases rapidly as the difference in the atomic sizes of the base element and the alloying element increases. Atomic size distributions of Zr, Pd, or Ln-based bulk amorphous alloys, which have a critical cooling rate in the range of 1–100 K/s, have a completely different, concave upward shape with a minimum at an intermediate atomic size. The base alloying element in these alloys has the largest atomic size and the smallest atom often has the next-highest concentration. A model that explains the concave upward shape of atomic size distributions for the bulk amorphous alloys is suggested. This model takes into account that all alloying elements in bulk glass formers are smaller than the matrix element, and some of them are located in interstitial sites while others substitute for matrix atoms in a reference crystalline solid solution. The interstitial and substitutional atoms attract each other and produce short-range ordered atomic configurations that stabilize the amorphous state. According to this model, the critical concentration of an interstitial element required to amorphize the alloy increases with increasing size difference from the matrix atom.