Development and sythesis of magnetic high entropy alloys

Abstract

Yüksek Entropili Alaşımlar (YEAlar), üstün ve etkileyici mekanik, fiziksel, elektriksel ve manyetik özellikleri nedeniyle özellikle havacılık ve savunma sanayileri için benzersiz ve yeni gelişmiş metalik alaşım sistemleridir. Bu tez, manyetik HEA'ların sentezi ve geliştirilmesine ve işlem görmemiş ve izotermal iyileştirme koşullarında ısıl işleme tabi tutulmuş Fe-Co-Ni-Al-X (X= Ti, V, Nb) alaşım sistemlerinin manyetik özelliklerinin, faz oluşum mekanizmalarının, termal kararlılığının ve mekanik özelliklerinin araştırılmasına odaklanmaktadır. Alaşımlar öncelikle termodinamik veri hesaplamalarına dayanarak tasarlanmış ve daha sonra tasarlanan alaşımlar yüksek saflıkta elementler kullanılarak vakumlu ark eritici ile üretilmiştir. Yüksek entropili alaşımlar, X-ışını kırınımı (XRD), optik mikroskop (OM), taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımlı spektroskopi (EDS), titreşimli numune manyetometresi (VSM) ve sertlik test cihazı kullanılarak karakterize edilmiştir. Sonuçları, bileşen elementlerin Fe-Co-Ni-Al-X (X: Ti, V, Nb) alaşım sistemlerinin faz oluşumu, manyetik ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisini göstermektedir. Co konsantrasyonundaki artışın manyetik doygunluğu arttırdığı ve zorlayıcı kuvveti azalttığı bulunmuştur. Öte yandan, Cu ve Ti'nin zorlayıcı kuvveti azaltmada çok az etkisi vardır. İzotermal tavlama işlemlerinin, alaşımların manyetik özelliklerini iyileştirdiği ortaya çıkmıştır. 928 K'de 24 saat izotermal tavlanmış olan alaşımlar, döküm sonrası ve 928 K'de 3 saat izotermal tavlanmış durumlarına kıyasla faz dönüşümleri göstermektedir. Vickers mikrosertlik analizi, tüm döküm alaşımlar için benzer değerler sunmuştur. Tüm alaşımların 3 saat izotermal tavlama ile sertlik değerlerinin arttığı, ancak 24 saat izotermal tavlama için önemli bir değişiklik olmadığı görülmüştür. Analiz, Ti, V ve Nb'nin Fe-Co-Ni-Al-X (X: Ti, V, Nb) alaşım sistemlerinin mikroyapısı ve manyetik özellikleri üzerindeki etkisini ortaya koymaktadır. Ti ilavesi, alaşımların manyetik özelliklerini geliştirmektedir. V ve Nb ilaveleri alaşımların mikro yapısını etkileyerek faz geçişlerine neden olurken, V ve Nb ilavelerinin alaşımların manyetik özelliklerini olumsuz yönde etkilediği sonucuna varılmıştır.

High Entropy Alloys (HEAs) are unique and new advanced metallic alloy systems, especially for aerospace and defense industries due to their superior and impressing mechanical, physical, electrical and magnetic properties. This thesis focuses on synthesis and development of magnetic HEAs and the investigation of magnetic properties, phase formation mechanisms, thermal stability, and mechanical properties of Fe-Co-Ni-Al-X (X= Ti, V, Nb) alloy systems under both as-cast and isothermally annealed conditions. The alloy designed were first done due to thermodynamic data calculations and then high purity elements were used to produce the alloys using vacuum arc melter. The high entropy alloys were characterized using X-ray diffraction (XRD), optic microscope (OM), scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), vibrating sample magnetometer (VSM), and hardness tester. The analysis shows the effect of constituent elements on the phase formation, magnetic and mechanical properties of Fe-Co-Ni-Al-X (X: Ti, V, Nb) alloy systems. It was found that the increase in Co concentration increases the magnetic saturation and decreases the coercive force. On the other hand, Cu and Ti has little significance on reducing the coercive force. The isothermal annealing processes are found to improve magnetic properties of the alloys. The isothermally annealed alloys at 928 K for 24 hours show phase t3ransformations in comparison to their as-cast and isothermally annealed conditions at 928 K for 3 hours. The Vickers microhardness analysis show similar values for all as-cast alloys. The hardness values are found to increase with isothermal annealing of all alloys for 3 hours, but there are no significant changes for 24 hours isothermal annealing. The analysis reveals the effect of Ti, V and Nb on microstructure and magnetic properties of Fe-Co-Ni-Al-X (X: Ti, V, Nb) alloy systems. Ti addition improves the magnetic properties of the alloys. V and Nb additions effect the microstructure and result in phase transitions of the alloys while the magnetic properties of the alloys are negatively affected by the addition of V and Nb.