Synthesis and development of refractory high entropy alloys

Abstract

Yüksek entropili alaşımlar (YEA'lar), uzay ve havacılık, nükleer ve kimyasal proses endüstrilerinde yüksek sıcaklıklı uygulamalarda, ilgi çeken özelliklerinden ötürü yeni metalik alaşım sistemleri olarak görev görmektedir. Bu tez, refrakter yüksek entropili alaşımların sentezi ve geliştirilmesine, eşatomik olmayan Al-Co-Cr-Fe-(Ni-Nb-Ti) ve eşatomik Al-Hf-Mo-Nb-Ta-Ti-V alaşım sistemlerinin döküm ve izotermal tavlama koşulları altındaki faz kararlılıkları, mikroyapı değişimleri, yüksek sıcaklıklardaki davranışları ve mekanik özelliklerinin incelenmesine odaklanmaktadır. Alaşımlar önceden hesaplanan termodinamik verilere göre belirlendi. Alaşımlar yüksek saflıkta elementler kullanılarak vakumlu ark eritici ile üretildi. Yüksek entropili alaşım sistemleri X-ışını kırınımı (XRD), yerinde X-ışını kırınımı, optic mikroskop, geçişli electron mikroskobu, sertlik, basma ve çekme testleri ile incelenmiştir. Analizler, Al-Co-Cr-Fe-(Ni-Nb-Ti) alaşım sistemlerinde Nb ve Ti elementleri konstanrasyonlarına bağlı faz oluşumlarını ve mekanik özellik değişimlerini ortaya koymuştur. Vickers mikrosertlik testleri, Nb ve Ti eklemesiyle alaşımların sertliklerinde artış göstermektedir. Basma testlerinde döküm Al8Co30Cr18Fe9Ni31Nb4 ve Al8Co30Cr18Fe9Ni31Ti4 alaşımları sünek tipi kırılma tipi göstermiştir. Çekme testlerinde en yüksek tokluk değeri, dendrit matrisinde tetrataenite FeNi fazının dağılım gösterdiği döküm Al8Co30Cr18Fe9Ni31Ti4 alaşımı için, 844 MPa ile en yüksek çekme mukavemeti ve %29.76 ile en yüksek basınç kırılma gerilimi ile gözlemlenmiştir. B2/BCC çoklu fazına sahip Al-Hf-Mo-Nb-Ta-Ti-V alaşım sistemleri yüksek sıcaklıklarda kararlı bir faz yapısı ortaya koymuştur. Mikroyapı analizleri göstermektedir ki bu alaşımlar yüksek sıcaklıklı uygulamalar için iyi refrakter YEA adaylarıdır.

High entropy alloys (HEAs) serve as a new metallic alloy system for high-temperature applications in aerospace, nuclear, and chemical process industries due to their attractive properties. This thesis focuses on the synthesis and development of refractory HEAs, and the investigation of their phase stability, the evolution of microstructure, high-temperature behavior, mechanical properties of nonequiatomic Al-Co-Cr-Fe-(Ni-Nb-Ti), and equiatomic Al-Hf-Mo-Nb-Ta-Ti-V alloy systems under as-cast and isothermally annealed conditions. The alloys were predetermined based on the calculated thermodynamic data. The alloys were then were produced by vacuum arc melter using high purity elements. The high entropy alloy systems were investigated using X-ray diffraction (XRD), in-situ X-ray diffraction (XRD), optic microscope (OM), scanning electron microscope (SEM), hardness, compression, and tension tests. The analysis reveals the dependency of mechanical properties and phase formation on Nb and Ti concentration of the Al-Co-Cr-Fe-(Ni-Nb-Ti) alloy systems. The Vickers microhardness tests reveal an increase in hardness with the addition of Nb and Ti. The ductile type of fracture was seen for as-cast Al8Co30Cr18Fe9Ni31Nb4 and Al8Co30Cr18Fe9Ni31Ti4 alloys. The highest toughness value, highest ultimate tensile strength of 844 MPa and highest compressive fracture strain of 29.76% were observed for Al8Co30Cr18Fe9Ni31Ti4 alloy, which has tetrataenite FeNi intermetallic phase distributed in the dendritic matrix. The Al-Hf-Mo-Nb-Ta-Ti-V alloy systems with B2/BCC dual-phase structure indicate good phase stability upon heating. The structure analysis reveals that these systems can be good candidates for refractory HEAs for high-temperature applications.