Το CoCrFeNi είναι ένα καλά μελετημένο κυβικό (fcc) κράμα υψηλής εντροπίας (HEA) με επίκεντρο πρόσωπο με εξαιρετική ολκιμότητα αλλά περιορισμένη αντοχή.Το επίκεντρο αυτής της μελέτης είναι η βελτίωση της ισορροπίας αντοχής και ολκιμότητας τέτοιων HEA με την προσθήκη διαφορετικών ποσοτήτων SiC χρησιμοποιώντας τη μέθοδο τήξης τόξου.Έχει διαπιστωθεί ότι η παρουσία χρωμίου στη βάση HEA προκαλεί την αποσύνθεση του SiC κατά την τήξη.Έτσι, η αλληλεπίδραση του ελεύθερου άνθρακα με το χρώμιο οδηγεί στον in situ σχηματισμό καρβιδίων χρωμίου, ενώ το ελεύθερο πυρίτιο παραμένει σε διάλυμα στη βάση HEA και/ή αλληλεπιδρά με τα στοιχεία που συνθέτουν τη βάση HEA για να σχηματίσει πυριτίδια.Καθώς αυξάνεται η περιεκτικότητα σε SiC, η φάση της μικροδομής αλλάζει με την ακόλουθη σειρά: fcc → fcc + ευτηκτική → fcc + νιφάδες καρβιδίου χρωμίου → fcc + νιφάδες καρβιδίου χρωμίου + πυριτικό → fcc + νιφάδες καρβιδίου χρωμίου + πυριτικό + μπάλες γραφίτη / νιφάδες γραφίτη.Τα προκύπτοντα σύνθετα υλικά παρουσιάζουν ένα πολύ ευρύ φάσμα μηχανικών ιδιοτήτων (αντοχή διαρροής που κυμαίνεται από 277 MPa σε επιμήκυνση πάνω από 60% έως 2522 MPa σε επιμήκυνση 6%) σε σύγκριση με τα συμβατικά κράματα και τα κράματα υψηλής εντροπίας.Μερικά από τα σύνθετα υλικά υψηλής εντροπίας που αναπτύχθηκαν παρουσιάζουν έναν εξαιρετικό συνδυασμό μηχανικών ιδιοτήτων (αντοχή διαρροής 1200 MPa, επιμήκυνση 37%) και καταλαμβάνουν προηγουμένως μη εφικτές περιοχές στο διάγραμμα τάσης διαρροής-επιμήκυνσης.Εκτός από την αξιοσημείωτη επιμήκυνση, η σκληρότητα και η αντοχή διαρροής των σύνθετων υλικών HEA είναι στο ίδιο εύρος με τα χύμα μεταλλικά γυαλιά.Ως εκ τούτου, πιστεύεται ότι η ανάπτυξη σύνθετων υλικών υψηλής εντροπίας μπορεί να βοηθήσει να επιτευχθεί ένας εξαιρετικός συνδυασμός μηχανικών ιδιοτήτων για προηγμένες δομικές εφαρμογές.
Η ανάπτυξη κραμάτων υψηλής εντροπίας είναι μια πολλά υποσχόμενη νέα ιδέα στη μεταλλουργία1,2.Τα κράματα υψηλής εντροπίας (HEA) έχουν δείξει σε πολλές περιπτώσεις έναν εξαιρετικό συνδυασμό φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής θερμικής σταθερότητας3,4 υπερπλαστική επιμήκυνση5,6 αντοχή στην κόπωση7,8 αντοχή στη διάβρωση9,10,11, εξαιρετική αντοχή στη φθορά12,13,14 ,15 και τριβολογικές ιδιότητες15 ,16,17 ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες18,19,20,21,22 και μηχανικές ιδιότητες σε χαμηλές θερμοκρασίες23,24,25.Ο εξαιρετικός συνδυασμός μηχανικών ιδιοτήτων στο HEA συνήθως αποδίδεται σε τέσσερα κύρια αποτελέσματα, συγκεκριμένα υψηλή εντροπία διαμόρφωσης26, ισχυρή παραμόρφωση πλέγματος27, αργή διάχυση28 και αποτέλεσμα κοκτέιλ29.Τα HEA ταξινομούνται συνήθως ως τύπους FCC, BCC και HCP.Το FCC HEA συνήθως περιέχει στοιχεία μετάπτωσης όπως Co, Cr, Fe, Ni και Mn και παρουσιάζει εξαιρετική ολκιμότητα (ακόμη και σε χαμηλή θερμοκρασία25) αλλά χαμηλή αντοχή.Το BCC HEA συνήθως αποτελείται από στοιχεία υψηλής πυκνότητας όπως W, Mo, Nb, Ta, Ti και V και έχει πολύ υψηλή αντοχή αλλά χαμηλή ολκιμότητα και χαμηλή ειδική αντοχή30.
Η μικροδομική τροποποίηση του HEA με βάση τη μηχανική κατεργασία, τη θερμομηχανική επεξεργασία και την προσθήκη στοιχείων έχει διερευνηθεί για να επιτευχθεί ο καλύτερος συνδυασμός μηχανικών ιδιοτήτων.Το CoCrFeMnNi FCC HEA υπόκειται σε σοβαρή πλαστική παραμόρφωση λόγω στρέψης υψηλής πίεσης, η οποία οδηγεί σε σημαντική αύξηση της σκληρότητας (520 HV) και της αντοχής (1950 MPa), αλλά η ανάπτυξη μιας νανοκρυσταλλικής μικροδομής (~50 nm) καθιστά το κράμα εύθραυστο31 .Έχει βρεθεί ότι η ενσωμάτωση της διπλής ολκιμότητας (TWIP) και της επαγόμενης από μετασχηματισμό πλαστικότητας (TRIP) σε CoCrFeMnNi HEA προσδίδει καλή σκληρυνσιμότητα εργασίας με αποτέλεσμα υψηλή ολκιμότητα εφελκυσμού, αν και σε βάρος των πραγματικών τιμών αντοχής σε εφελκυσμό.Κάτω από (1124 MPa) 32. Ο σχηματισμός μιας πολυεπίπεδης μικροδομής (αποτελούμενη από ένα λεπτό παραμορφωμένο στρώμα και έναν μη παραμορφωμένο πυρήνα) στο CoCrFeMnNi HEA με τη χρήση βολής οδήγησε σε αύξηση της αντοχής, αλλά αυτή η βελτίωση περιορίστηκε σε περίπου 700 MPa33.Σε αναζήτηση υλικών με τον καλύτερο συνδυασμό αντοχής και ολκιμότητας, έχει επίσης διερευνηθεί η ανάπτυξη πολυφασικών HEA και ευτηκτικών HEA χρησιμοποιώντας προσθήκες μη ισοατομικών στοιχείων34,35,36,37,38,39,40,41.Πράγματι, έχει βρεθεί ότι μια λεπτότερη κατανομή σκληρών και μαλακών φάσεων σε ευτηκτικά κράματα υψηλής εντροπίας μπορεί να οδηγήσει σε έναν σχετικά καλύτερο συνδυασμό αντοχής και πλαστιμότητας35,38,42,43.
Το σύστημα CoCrFeNi είναι ένα ευρέως μελετημένο μονοφασικό κράμα υψηλής εντροπίας FCC.Αυτό το σύστημα παρουσιάζει γρήγορες ιδιότητες σκλήρυνσης στην εργασία44 και εξαιρετική ολκιμότητα45,46 τόσο σε χαμηλές όσο και σε υψηλές θερμοκρασίες.Έχουν γίνει διάφορες προσπάθειες για τη βελτίωση της σχετικά χαμηλής αντοχής του (~300 MPa)47,48 συμπεριλαμβανομένης της βελτίωσης κόκκων25, της ετερογενούς μικροδομής49, της κατακρήμνισης50,51,52 και της επαγόμενης από μετασχηματισμό πλαστικότητας (TRIP)53.Η βελτίωση των κόκκων του χυτού προσωποκεντρικού κυβικού HEA CoCrFeNi με κρύο τράβηγμα κάτω από δύσκολες συνθήκες αυξάνει την αντοχή από περίπου 300 MPa47,48 σε 1,2 GPa25, αλλά μειώνει την απώλεια ολκιμότητας από περισσότερο από 60% σε 12,6%.Η προσθήκη Al στο HEA του CoCrFeNi είχε ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό μιας ετερογενούς μικροδομής, η οποία αύξησε την αντοχή διαρροής του στα 786 MPa και τη σχετική επιμήκυνσή του σε περίπου 22%49.Το CoCrFeNi HEA προστέθηκε με Ti και Al για να σχηματιστούν ιζήματα, σχηματίζοντας έτσι ενίσχυση της καθίζησης, αυξάνοντας την αντοχή διαρροής στα 645 MPa και την επιμήκυνσή του στο 39%51.Ο μηχανισμός TRIP (πρόσωπο-κεντρικός κυβικός → εξαεδρικός μαρτενσιτικός μετασχηματισμός) και η διδυμοποίηση αύξησαν την αντοχή εφελκυσμού του CoCrFeNi HEA στα 841 MPa και την επιμήκυνση στο σπάσιμο στο 76%53.
Έχουν γίνει επίσης προσπάθειες να προστεθεί κεραμική ενίσχυση στην κυβική μήτρα με επίκεντρο την όψη HEA για την ανάπτυξη σύνθετων υλικών υψηλής εντροπίας που μπορούν να επιδείξουν καλύτερο συνδυασμό αντοχής και ολκιμότητας.Τα σύνθετα υλικά με υψηλή εντροπία έχουν υποστεί επεξεργασία με τήξη τόξου κενού44, μηχανική κράμα45,46,47,48,52,53, πυροσυσσωμάτωση πλάσματος σπινθήρα46,51,52, θερμή συμπίεση κενού45, θερμή ισοστατική συμπίεση47,48 και ανάπτυξη διεργασιών επεξεργασίας43, 50.Καρβίδια, οξείδια και νιτρίδια όπως τα WC44, 45, 46, Al2O347, SiC48, TiC43, 49, TiN50 και Y2O351 έχουν χρησιμοποιηθεί ως κεραμική ενίσχυση στην ανάπτυξη σύνθετων υλικών HEA.Η επιλογή της σωστής μήτρας HEA και κεραμικού είναι ιδιαίτερα σημαντική κατά το σχεδιασμό και την ανάπτυξη ενός ισχυρού και ανθεκτικού σύνθετου υλικού HEA.Σε αυτή την εργασία, το CoCrFeNi επιλέχθηκε ως υλικό μήτρας.Διάφορες ποσότητες SiC προστέθηκαν στο CoCrFeNi HEA και μελετήθηκε η επίδρασή τους στη μικροδομή, τη σύνθεση φάσης και τις μηχανικές ιδιότητες.
Ως πρώτες ύλες για τη δημιουργία σύνθετων HEA χρησιμοποιήθηκαν μέταλλα υψηλής καθαρότητας Co, Cr, Fe και Ni (99,95 wt %) και σκόνη SiC (καθαρότητα 99%, μέγεθος -400 mesh) με τη μορφή στοιχειωδών σωματιδίων.Η ισοατομική σύνθεση του CoCrFeNi HEA τοποθετήθηκε αρχικά σε ένα ημισφαιρικό υδρόψυκτο χάλκινο καλούπι και στη συνέχεια ο θάλαμος εκκενώθηκε στα 3·10-5 mbar.Εισάγεται αέριο αργό υψηλής καθαρότητας για την επίτευξη του κενού που απαιτείται για την τήξη τόξου με μη αναλώσιμα ηλεκτρόδια βολφραμίου.Τα πλινθώματα που προκύπτουν αναστρέφονται και ξανατήκονται πέντε φορές για να εξασφαλιστεί καλή ομοιογένεια.Σύνθετα υψηλής εντροπίας διαφόρων συνθέσεων παρασκευάστηκαν προσθέτοντας μια ορισμένη ποσότητα SiC στα προκύπτοντα ισοατομικά κουμπιά CoCrFeNi, τα οποία ομογενοποιήθηκαν εκ νέου με πενταπλάσια αναστροφή και επανατήξη σε κάθε περίπτωση.Το χυτευμένο κουμπί από το προκύπτον σύνθετο υλικό κόπηκε χρησιμοποιώντας EDM για περαιτέρω δοκιμή και χαρακτηρισμό.Παρασκευάστηκαν δείγματα για μικροδομικές μελέτες σύμφωνα με τυπικές μεταλλογραφικές μεθόδους.Αρχικά, τα δείγματα εξετάστηκαν χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο φωτός (Leica Microscope DM6M) με το λογισμικό Leica Image Analysis (LAS Phase Expert) για ποσοτική ανάλυση φάσης.Επιλέχθηκαν τρεις εικόνες που τραβήχτηκαν σε διαφορετικές περιοχές με συνολική επιφάνεια περίπου 27.000 μm2 για ανάλυση φάσης.Περαιτέρω λεπτομερείς μικροδομικές μελέτες, συμπεριλαμβανομένης της ανάλυσης χημικής σύνθεσης και ανάλυσης κατανομής στοιχείων, πραγματοποιήθηκαν σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (JEOL JSM-6490LA) εξοπλισμένο με σύστημα ανάλυσης φασματοσκοπίας διασποράς ενέργειας (EDS).Ο χαρακτηρισμός της κρυσταλλικής δομής του σύνθετου υλικού HEA πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ένα σύστημα περίθλασης ακτίνων Χ (Bruker D2 Phase shifter) χρησιμοποιώντας μια πηγή CuKα με μέγεθος βήματος 0,04°.Η επίδραση των μικροδομικών αλλαγών στις μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών HEA μελετήθηκε χρησιμοποιώντας δοκιμές μικροσκληρότητας Vickers και δοκιμές συμπίεσης.Για τη δοκιμή σκληρότητας, εφαρμόζεται φορτίο 500 N για 15 δευτερόλεπτα χρησιμοποιώντας τουλάχιστον 10 εσοχές ανά δείγμα.Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές συμπίεσης σύνθετων υλικών HEA σε θερμοκρασία δωματίου σε ορθογώνια δείγματα (7 mm × 3 mm × 3 mm) σε μηχανή δοκιμών γενικής χρήσης Shimadzu 50KN (UTM) με αρχικό ρυθμό καταπόνησης 0,001/s.
Σύνθετα υψηλής εντροπίας, τα οποία στο εξής θα αναφέρονται ως δείγματα S-1 έως S-6, παρασκευάστηκαν προσθέτοντας 3%, 6%, 9%, 12%, 15% και 17% SiC (όλα κατά βάρος%) σε μια μήτρα CoCrFeNi .αντίστοιχα.Το δείγμα αναφοράς στο οποίο δεν προστέθηκε SiC αναφέρεται στο εξής ως δείγμα S-0.Οπτικές μικρογραφίες των αναπτυγμένων σύνθετων υλικών HEA φαίνονται στα Σχ.1, όπου, λόγω της προσθήκης διαφόρων προσθέτων, η μονοφασική μικροδομή του CoCrFeNi HEA μετατράπηκε σε μια μικροδομή που αποτελείται από πολλές φάσεις με διαφορετική μορφολογία, μεγέθη και κατανομή.Η ποσότητα του SiC στη σύνθεση.Η ποσότητα κάθε φάσης προσδιορίστηκε από ανάλυση εικόνας χρησιμοποιώντας το λογισμικό LAS Phase Expert.Το ένθετο στο Σχήμα 1 (επάνω δεξιά) δείχνει ένα παράδειγμα περιοχής για αυτήν την ανάλυση, καθώς και το κλάσμα επιφάνειας για κάθε συνιστώσα φάσης.
Οπτικές μικρογραφίες των αναπτυγμένων σύνθετων υλικών υψηλής εντροπίας: (α) C-1, (β) C-2, (γ) C-3, (δ) C-4, (ε) C-5 και (στ) C- 6.Το ένθετο δείχνει ένα παράδειγμα αποτελεσμάτων ανάλυσης φάσης εικόνας με βάση την αντίθεση χρησιμοποιώντας το λογισμικό LAS Phase Expert.
Όπως φαίνεται στο σχ.1α, μια ευτηκτική μικροδομή σχηματίστηκε μεταξύ των όγκων μήτρας του σύνθετου υλικού C-1, όπου η ποσότητα της μήτρας και της ευτηκτικής φάσης εκτιμάται ως 87,9 ± 0,47% και 12,1% ± 0,51%, αντίστοιχα.Στο σύνθετο (C-2) που φαίνεται στο Σχ. 1β, δεν υπάρχουν ενδείξεις ευτηκτικής αντίδρασης κατά τη στερεοποίηση και παρατηρείται μια μικροδομή εντελώς διαφορετική από αυτή του σύνθετου C-1.Η μικροδομή του σύνθετου υλικού C-2 είναι σχετικά λεπτή και αποτελείται από λεπτές πλάκες (καρβίδια) ομοιόμορφα κατανεμημένες στη φάση της μήτρας (fcc).Τα κλάσματα όγκου της μήτρας και του καρβιδίου υπολογίζονται σε 72 ± 1,69% και 28 ± 1,69%, αντίστοιχα.Εκτός από τη μήτρα και το καρβίδιο, μια νέα φάση (πυριτικό) βρέθηκε στο σύνθετο C-3, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1γ, όπου τα κλάσματα όγκου τέτοιων φάσεων πυριτιδίου, καρβιδίου και μήτρας υπολογίζονται σε περίπου 26,5% ± 0,41%, 25,9 ± 0,53 και 47,6 ± 0,34, αντίστοιχα.Μια άλλη νέα φάση (γραφίτης) παρατηρήθηκε επίσης στη μικροδομή του σύνθετου υλικού C-4.εντοπίστηκαν συνολικά τέσσερις φάσεις.Η φάση γραφίτη έχει ένα ευδιάκριτο σφαιρικό σχήμα με σκοτεινή αντίθεση στις οπτικές εικόνες και υπάρχει μόνο σε μικρές ποσότητες (το εκτιμώμενο κλάσμα όγκου είναι μόνο περίπου 0,6 ± 0,30%).Στα σύνθετα C-5 και C-6, εντοπίστηκαν μόνο τρεις φάσεις και η σκοτεινή φάση γραφίτη σε αντίθεση σε αυτά τα σύνθετα εμφανίζεται με τη μορφή νιφάδων.Σε σύγκριση με τις νιφάδες γραφίτη στο Composite S-5, οι νιφάδες γραφίτη στο Composite S-6 είναι ευρύτερες, πιο κοντές και πιο κανονικές.Μια αντίστοιχη αύξηση στην περιεκτικότητα σε γραφίτη παρατηρήθηκε επίσης από 14,9 ± 0,85% στο σύνθετο C-5 σε περίπου 17,4 ± 0,55% στο σύνθετο C-6.
Για την περαιτέρω διερεύνηση της λεπτομερούς μικροδομής και της χημικής σύστασης κάθε φάσης στο σύνθετο HEA, εξετάστηκαν δείγματα με χρήση SEM και πραγματοποιήθηκαν επίσης ανάλυση σημείων EMF και χημική χαρτογράφηση.Τα αποτελέσματα για το σύνθετο C-1 φαίνονται στο σχήμα.2, όπου φαίνεται καθαρά η παρουσία ευτηκτικών μιγμάτων που διαχωρίζουν τις περιοχές της κύριας φάσης μήτρας.Ο χημικός χάρτης του σύνθετου C-1 φαίνεται στο Σχ. 2γ, όπου μπορεί να φανεί ότι τα Co, Fe, Ni και Si κατανέμονται ομοιόμορφα στη φάση της μήτρας.Ωστόσο, μια μικρή ποσότητα Cr βρέθηκε στη φάση της μήτρας σε σύγκριση με άλλα στοιχεία της βάσης HEA, υποδηλώνοντας ότι το Cr διαχέεται έξω από τη μήτρα.Η σύνθεση της λευκής ευτηκτικής φάσης στην εικόνα SEM είναι πλούσια σε χρώμιο και άνθρακα, υποδεικνύοντας ότι πρόκειται για καρβίδιο του χρωμίου.Η απουσία διακριτών σωματιδίων SiC στη μικροδομή, σε συνδυασμό με την παρατηρούμενη χαμηλή περιεκτικότητα σε χρώμιο στη μήτρα και την παρουσία ευτηκτικών μιγμάτων που περιέχουν φάσεις πλούσιες σε χρώμιο, υποδηλώνει την πλήρη αποσύνθεση του SiC κατά την τήξη.Ως αποτέλεσμα της αποσύνθεσης του SiC, το πυρίτιο διαλύεται στη φάση της μήτρας και ο ελεύθερος άνθρακας αλληλεπιδρά με το χρώμιο για να σχηματίσει καρβίδια χρωμίου.Όπως φαίνεται, μόνο ο άνθρακας προσδιορίστηκε ποιοτικά με τη μέθοδο EMF και ο σχηματισμός φάσης επιβεβαιώθηκε με την αναγνώριση χαρακτηριστικών κορυφών καρβιδίου στα μοτίβα περίθλασης ακτίνων Χ.
(α) Εικόνα SEM του δείγματος S-1, (β) μεγεθυσμένη εικόνα, (γ) χάρτης στοιχείων, (δ) αποτελέσματα EMF σε υποδεικνυόμενες θέσεις.
Η ανάλυση του σύνθετου C-2 φαίνεται στο Σχ.3. Παρόμοια με την εμφάνιση στο οπτικό μικροσκόπιο, η εξέταση SEM αποκάλυψε μια λεπτή δομή που αποτελείται από μόνο δύο φάσεις, με την παρουσία μιας λεπτής ελασματικής φάσης ομοιόμορφα κατανεμημένης σε όλη τη δομή.φάση μήτρας, και δεν υπάρχει ευτηκτική φάση.Η κατανομή των στοιχείων και η ανάλυση σημείου EMF της ελασματικής φάσης αποκάλυψαν σχετικά υψηλή περιεκτικότητα σε Cr (κίτρινο) και C (πράσινο) σε αυτή τη φάση, γεγονός που υποδεικνύει και πάλι την αποσύνθεση του SiC κατά την τήξη και την αλληλεπίδραση του απελευθερωμένου άνθρακα με το φαινόμενο του χρωμίου .Η μήτρα VEA σχηματίζει μια ελασματική φάση καρβιδίου.Η κατανομή των στοιχείων και η σημειακή ανάλυση της φάσης της μήτρας έδειξε ότι το μεγαλύτερο μέρος του κοβαλτίου, του σιδήρου, του νικελίου και του πυριτίου υπάρχουν στη φάση της μήτρας.
(α) Εικόνα SEM του δείγματος S-2, (β) μεγεθυσμένη εικόνα, (γ) χάρτης στοιχείων, (δ) αποτελέσματα EMF σε υποδεικνυόμενες θέσεις.
Οι μελέτες SEM των σύνθετων υλικών C-3 αποκάλυψαν την παρουσία νέων φάσεων εκτός από τις φάσεις καρβιδίου και μήτρας.Ο στοιχειακός χάρτης (Εικ. 4γ) και η ανάλυση σημείων EMF (Εικ. 4δ) δείχνουν ότι η νέα φάση είναι πλούσια σε νικέλιο, κοβάλτιο και πυρίτιο.
(α) Εικόνα SEM του δείγματος S-3, (β) μεγεθυσμένη εικόνα, (γ) χάρτης στοιχείων, (δ) αποτελέσματα EMF σε υποδεικνυόμενες θέσεις.
Τα αποτελέσματα της ανάλυσης SEM και EMF του σύνθετου υλικού C-4 φαίνονται στα Σχ.5. Εκτός από τις τρεις φάσεις που παρατηρήθηκαν στο σύνθετο C-3, βρέθηκε και η παρουσία οζιδίων γραφίτη.Το κλάσμα όγκου της πλούσιας σε πυρίτιο φάσης είναι επίσης υψηλότερο από αυτό του σύνθετου C-3.
(α) Εικόνα SEM του δείγματος S-4, (β) μεγεθυσμένη εικόνα, (γ) χάρτης στοιχείων, (δ) αποτελέσματα EMF σε υποδεικνυόμενες θέσεις.
Τα αποτελέσματα των φασμάτων SEM και EMF των σύνθετων υλικών S-5 και S-6 φαίνονται στα Σχήματα 1 και 2. 6 και 7, αντίστοιχα.Εκτός από έναν μικρό αριθμό σφαιρών, παρατηρήθηκε και η παρουσία νιφάδων γραφίτη.Τόσο ο αριθμός των νιφάδων γραφίτη όσο και το κλάσμα όγκου της φάσης που περιέχει πυρίτιο στο σύνθετο C-6 είναι μεγαλύτερο από το σύνθετο C-5.
(α) Εικόνα SEM του δείγματος C-5, (β) μεγεθυσμένη όψη, (γ) στοιχειώδης χάρτης, (δ) αποτελέσματα EMF σε υποδεικνυόμενες θέσεις.
(α) Εικόνα SEM του δείγματος S-6, (β) μεγεθυσμένη εικόνα, (γ) χάρτης στοιχείων, (δ) αποτελέσματα EMF σε υποδεικνυόμενες θέσεις.
Ο χαρακτηρισμός της κρυσταλλικής δομής των σύνθετων HEA πραγματοποιήθηκε επίσης χρησιμοποιώντας μετρήσεις XRD.Το αποτέλεσμα φαίνεται στο Σχήμα 8. Στο σχέδιο περίθλασης της βάσης WEA (S-0), είναι ορατές μόνο οι κορυφές που αντιστοιχούν στη φάση fcc.Τα μοτίβα περίθλασης ακτίνων Χ των σύνθετων υλικών C-1, C-2 και C-3 αποκάλυψαν την παρουσία πρόσθετων κορυφών που αντιστοιχούν στο καρβίδιο του χρωμίου (Cr7C3) και η έντασή τους ήταν χαμηλότερη για τα δείγματα C-3 και C-4, γεγονός που έδειξε ότι επίσης με τα δεδομένα EMF για αυτά τα δείγματα.Παρατηρήθηκαν κορυφές που αντιστοιχούν σε πυριτίδια Co/Ni για τα δείγματα S-3 και S-4, και πάλι σύμφωνα με τα αποτελέσματα χαρτογράφησης EDS που φαίνονται στα Σχήματα 2 και 3. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3 και στο Σχήμα 4. Παρατηρήθηκαν κορυφές 5 και S-6 που αντιστοιχεί στον γραφίτη.
Τόσο τα μικροδομικά όσο και τα κρυσταλλογραφικά χαρακτηριστικά των αναπτυγμένων σύνθετων υλικών έδειξαν αποσύνθεση του προστιθέμενου SiC.Αυτό οφείλεται στην παρουσία χρωμίου στη μήτρα VEA.Το χρώμιο έχει πολύ ισχυρή συγγένεια με τον άνθρακα 54,55 και αντιδρά με τον ελεύθερο άνθρακα σχηματίζοντας καρβίδια, όπως φαίνεται από την παρατηρούμενη μείωση της περιεκτικότητας σε χρώμιο της μήτρας.Το Si περνά στη φάση fcc λόγω της διάστασης του SiC56.Έτσι, μια αύξηση στην προσθήκη SiC στη βάση HEA οδήγησε σε αύξηση της ποσότητας της φάσης καρβιδίου και της ποσότητας ελεύθερου Si στη μικροδομή.Έχει βρεθεί ότι αυτό το επιπλέον Si εναποτίθεται στη μήτρα σε χαμηλές συγκεντρώσεις (στα σύνθετα υλικά S-1 και S-2), ενώ σε υψηλότερες συγκεντρώσεις (σύνθετα υλικά S-3 έως S-6) οδηγεί σε πρόσθετη εναπόθεση κοβαλτίου/.πυριτικό νικέλιο.Η τυπική ενθαλπία σχηματισμού πυριτιδίων Co και Ni, που λαμβάνεται με θερμιδομετρία υψηλής θερμοκρασίας απευθείας σύνθεσης, είναι -37,9 ± 2,0, -49,3 ± 1,3, -34,9 ± 1,1 kJ mol -1 για Co2Si, CoSi και CoSi2, αντίστοιχα, ενώ αυτά Οι τιμές είναι – 50,6 ± 1,7 και – 45,1 ± 1,4 kJ mol-157 για Ni2Si και Ni5Si2, αντίστοιχα.Αυτές οι τιμές είναι χαμηλότερες από τη θερμότητα σχηματισμού του SiC, υποδεικνύοντας ότι η διάσταση του SiC που οδηγεί στον σχηματισμό πυριτιδίων Co/Ni είναι ενεργειακά ευνοϊκή.Και στα σύνθετα υλικά S-5 και S-6, υπήρχε επιπλέον ελεύθερο πυρίτιο, το οποίο απορροφήθηκε πέρα από το σχηματισμό πυριτίου.Αυτό το ελεύθερο πυρίτιο έχει βρεθεί ότι συμβάλλει στη γραφιτοποίηση που παρατηρείται στους συμβατικούς χάλυβες58.
Οι μηχανικές ιδιότητες των αναπτυγμένων σύνθετων υλικών με κεραμικό οπλισμό που βασίζονται σε HEA διερευνώνται με δοκιμές συμπίεσης και δοκιμές σκληρότητας.Οι καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης των αναπτυγμένων σύνθετων υλικών φαίνονται στα Σχ.9α, και στο Σχ. 9β δείχνει ένα διάγραμμα διασποράς μεταξύ ειδικής αντοχής διαρροής, αντοχής διαρροής, σκληρότητας και επιμήκυνσης των αναπτυγμένων σύνθετων υλικών.
(α) Καμπύλες θλιπτικής παραμόρφωσης και (β) γραφήματα διασποράς που δείχνουν ειδική τάση διαρροής, αντοχή διαρροής, σκληρότητα και επιμήκυνση.Σημειώστε ότι εμφανίζονται μόνο τα δείγματα S-0 έως S-4, καθώς τα δείγματα S-5 και S-6 περιέχουν σημαντικά ελαττώματα χύτευσης.
Όπως φαίνεται στο σχ.9, η αντοχή διαρροής αυξήθηκε από 136 MPa για το βασικό VES (C-0) σε 2522 MPa για το σύνθετο υλικό C-4.Σε σύγκριση με το βασικό WPP, το σύνθετο S-2 έδειξε πολύ καλή επιμήκυνση έως αστοχία περίπου 37%, και επίσης έδειξε σημαντικά υψηλότερες τιμές αντοχής διαρροής (1200 MPa).Ο εξαιρετικός συνδυασμός αντοχής και ολκιμότητας αυτού του σύνθετου υλικού οφείλεται στη βελτίωση της συνολικής μικροδομής, συμπεριλαμβανομένης της ομοιόμορφης κατανομής των λεπτών ελασμάτων καρβιδίου σε όλη τη μικροδομή, η οποία αναμένεται να αναστέλλει την κίνηση της εξάρθρωσης.Οι αντοχές διαρροής των σύνθετων υλικών C-3 και C-4 είναι 1925 MPa και 2522 MPa, αντίστοιχα.Αυτές οι αντοχές υψηλής απόδοσης μπορούν να εξηγηθούν από το κλάσμα υψηλού όγκου φάσεων τσιμεντοειδούς καρβιδίου και πυριτίου.Ωστόσο, η παρουσία αυτών των φάσεων οδήγησε επίσης σε επιμήκυνση στο σπάσιμο μόνο 7%.Οι καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης των βασικών σύνθετων υλικών CoCrFeNi HEA (S-0) και S-1 είναι κυρτές, υποδεικνύοντας την ενεργοποίηση του φαινομένου αδελφοποίησης ή TRIP59,60.Σε σύγκριση με το δείγμα S-1, η καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης του δείγματος S-2 έχει κοίλο σχήμα σε παραμόρφωση περίπου 10,20%, που σημαίνει ότι η κανονική ολίσθηση εξάρθρωσης είναι ο κύριος τρόπος παραμόρφωσης του δείγματος σε αυτή την παραμορφωμένη κατάσταση60,61 .Ωστόσο, ο ρυθμός σκλήρυνσης σε αυτό το δείγμα παραμένει υψηλός σε μεγάλο εύρος παραμορφώσεων και σε υψηλότερες παραμορφώσεις είναι επίσης ορατή η μετάβαση στην κυρτότητα (αν και δεν μπορεί να αποκλειστεί ότι αυτό οφείλεται στην αστοχία των λιπασμένων συμπιεστικών φορτίων).).Τα σύνθετα C-3 και C-4 έχουν περιορισμένη μόνο πλαστικότητα λόγω της παρουσίας υψηλότερου όγκου κλασμάτων καρβιδίων και πυριτιδίων στη μικροδομή.Οι δοκιμές συμπίεσης των δειγμάτων των σύνθετων υλικών C-5 και C-6 δεν πραγματοποιήθηκαν λόγω σημαντικών ελαττωμάτων χύτευσης σε αυτά τα δείγματα σύνθετων υλικών (βλ. Εικ. 10).
Στερεομικρογραφίες ελαττωμάτων χύτευσης (που υποδεικνύονται με κόκκινα βέλη) σε δείγματα σύνθετων υλικών C-5 και C-6.
Τα αποτελέσματα της μέτρησης της σκληρότητας των σύνθετων υλικών VEA φαίνονται στα Σχ.9β.Το βασικό WEA έχει σκληρότητα 130±5 HV και τα δείγματα S-1, S-2, S-3 και S-4 έχουν τιμές σκληρότητας 250±10 HV, 275±10 HV, 570±20 HV και 755±20 HV.Η αύξηση της σκληρότητας ήταν σε καλή συμφωνία με την αλλαγή στην αντοχή διαρροής που λήφθηκε από τις δοκιμές συμπίεσης και συσχετίστηκε με αύξηση της ποσότητας στερεών στο σύνθετο υλικό.Η υπολογιζόμενη ειδική αντοχή διαρροής με βάση τη σύνθεση στόχο κάθε δείγματος φαίνεται επίσης στο Σχ.9β.Γενικά, ο καλύτερος συνδυασμός αντοχής διαρροής (1200 MPa), σκληρότητας (275 ± 10 HV) και σχετικής επιμήκυνσης έως αστοχίας (~37%) παρατηρείται για το σύνθετο C-2.
Σύγκριση της αντοχής διαρροής και της σχετικής επιμήκυνσης του αναπτυγμένου σύνθετου υλικού με υλικά διαφορετικών κατηγοριών φαίνεται στο Σχ. 11α.Τα σύνθετα υλικά με βάση το CoCrFeNi σε αυτή τη μελέτη έδειξαν υψηλή επιμήκυνση σε οποιοδήποτε δεδομένο επίπεδο τάσης62.Μπορεί επίσης να φανεί ότι οι ιδιότητες των σύνθετων υλικών HEA που αναπτύχθηκαν σε αυτή τη μελέτη βρίσκονται στην προηγουμένως μη κατειλημμένη περιοχή του διαγράμματος της αντοχής διαρροής έναντι της επιμήκυνσης.Επιπλέον, τα αναπτυγμένα σύνθετα έχουν ένα ευρύ φάσμα συνδυασμών αντοχής (277 MPa, 1200 MPa, 1925 MPa και 2522 MPa) και επιμήκυνσης (>60%, 37%, 7,3% και 6,19%).Η αντοχή διαρροής είναι επίσης ένας σημαντικός παράγοντας στην επιλογή υλικών για προηγμένες εφαρμογές μηχανικής63,64.Από αυτή την άποψη, τα σύνθετα HEA της παρούσας εφεύρεσης εμφανίζουν έναν εξαιρετικό συνδυασμό αντοχής διαρροής και επιμήκυνσης.Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η προσθήκη SiC χαμηλής πυκνότητας έχει ως αποτέλεσμα σύνθετα υλικά με υψηλή ειδική αντοχή διαρροής.Η ειδική αντοχή διαρροής και η επιμήκυνση των σύνθετων υλικών HEA είναι στο ίδιο εύρος με το HEA FCC και το πυρίμαχο HEA, όπως φαίνεται στο Σχ. 11β.Η σκληρότητα και η αντοχή διαρροής των αναπτυγμένων σύνθετων υλικών είναι στο ίδιο εύρος όπως για τα ογκώδη μεταλλικά γυαλιά65 (Εικ. 11γ).Τα ογκώδη μεταλλικά γυαλιά (BMS) χαρακτηρίζονται από υψηλή σκληρότητα και αντοχή σε διαρροή, αλλά η επιμήκυνσή τους είναι περιορισμένη66,67.Ωστόσο, η σκληρότητα και η αντοχή σε διαρροή ορισμένων από τα σύνθετα υλικά HEA που αναπτύχθηκαν σε αυτή τη μελέτη παρουσίασαν επίσης σημαντική επιμήκυνση.Έτσι, συνήχθη το συμπέρασμα ότι τα σύνθετα υλικά που αναπτύχθηκαν από τη VEA έχουν έναν μοναδικό και περιζήτητο συνδυασμό μηχανικών ιδιοτήτων για διάφορες δομικές εφαρμογές.Αυτός ο μοναδικός συνδυασμός μηχανικών ιδιοτήτων μπορεί να εξηγηθεί από την ομοιόμορφη διασπορά των σκληρών καρβιδίων που σχηματίζονται in situ στη μήτρα FCC HEA.Ωστόσο, ως μέρος του στόχου για την επίτευξη καλύτερου συνδυασμού αντοχής, οι μικροδομικές αλλαγές που προκύπτουν από την προσθήκη κεραμικών φάσεων πρέπει να μελετηθούν και να ελέγχονται προσεκτικά για να αποφευχθούν ελαττώματα χύτευσης, όπως αυτά που συναντώνται στα σύνθετα υλικά S-5 και S-6, και εύπλαστο.γένος.
Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης συγκρίθηκαν με διάφορα δομικά υλικά και HEA: (α) επιμήκυνση έναντι αντοχής διαρροής62, (β) ειδική τάση διαρροής έναντι πλαστιμότητας63 και (γ) αντοχή διαρροής έναντι σκληρότητας65.
Η μικροδομή και οι μηχανικές ιδιότητες μιας σειράς σύνθετων υλικών HEA-κεραμικών βασισμένων στο σύστημα HEA CoCrFeNi με την προσθήκη SiC έχουν μελετηθεί και έχουν εξαχθεί τα ακόλουθα συμπεράσματα:
Τα σύνθετα κράματα υψηλής εντροπίας μπορούν να αναπτυχθούν με επιτυχία προσθέτοντας SiC στο CoCrFeNi HEA χρησιμοποιώντας τη μέθοδο τήξης τόξου.
Το SiC αποσυντίθεται κατά την τήξη του τόξου, οδηγώντας στο σχηματισμό in situ φάσεων καρβιδίου, πυριτίου και γραφίτη, η παρουσία και το κλάσμα όγκου των οποίων εξαρτώνται από την ποσότητα του SiC που προστίθεται στη βασική HEA.
Τα σύνθετα υλικά HEA παρουσιάζουν πολλές εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, με ιδιότητες που εμπίπτουν σε προηγουμένως μη κατειλημμένες περιοχές στο διάγραμμα αντοχής διαρροής έναντι επιμήκυνσης.Η αντοχή διαρροής του σύνθετου υλικού HEA που κατασκευάστηκε με χρήση 6 wt% SiC ήταν περισσότερο από οκτώ φορές μεγαλύτερη από εκείνη του HEA βάσης ενώ διατηρούσε ολκιμότητα 37%.
Η σκληρότητα και η αντοχή διαρροής των σύνθετων υλικών HEA είναι στην περιοχή των χύμα μεταλλικών γυαλιών (BMG).
Τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι τα σύνθετα κράματα υψηλής εντροπίας αντιπροσωπεύουν μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση για την επίτευξη ενός εξαιρετικού συνδυασμού μεταλλομηχανικών ιδιοτήτων για προηγμένες δομικές εφαρμογές.
Ώρα δημοσίευσης: Ιουλ-12-2023