طراحی آلیاژهای دیرگداز آنتروپی بالا با هدف کاهش وزن و هزینه

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی متالورژی و مواد ، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد-مشهد- ایران

2 استاد، گروه مهندسی متالورژی و مواد ، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد-مشهد-ایران

10.22034/frj.2020.244014.1124

چکیده

آلیاژهای آنتروپی بالا دسته جدیدی از آلیاژهای چند جزئی هستند که فاز محلول جامد به عنوان فاز اصلی در آنها تشکیل می‌شود. این آلیاژها به دلیل تنوع عناصراصلی در ترکیب شان، ظرفیت بسیار مناسبی جهت طراحی آلیاژهایی با خواص مورد نظر از جمله وزن کمتر و هزینه کمتر را دارند. در سال‌های اخیر فعالیت های متعددی در زمینه آلیاژهای دیرگداز آنتروپی بالا جهت کاربردهای دما بالا انجام شده است. با این حال از آنجایی که فلزات دیرگداز عموما دارای چگالی بسیار بالا و تا حدودی گران قیمت است، لذا طراحی ترکیب آلیاژ به نحوی که بتوان وزن و هزینه مواد اولیه را کاهش داد، اهمیت ویژهای دارد. در این پژوهش با استفاده از محاسبات پارامترهای ترمودینامیکی و فیزیکی ترکیب عناصر در آلیاژهای دیرگداز آنتروپی بالا W-Mo-Ta-Nb-V و W-Mo-Cr-Ti-Al به نحوی بهینه سازی شد که ضمن رسیدن به فاز محلول جامد، وزن و هزینه به حداقل برسد. نهایتا آلیاژ دیرگداز آنتروپی بالا W10Mo27Cr21Ti22Al20 به عنوان آلیاژ با ترکیب بهینه در سیستم آلیاژی W-Mo-Cr-Ti-Al انتخاب و به روش ذوب قوسی  در خلاء  ذوب و آلیاژسازی شد. این آلیاژ حاوی فاز محلول جامد با ساختار BCC به عنوان فاز اصلی و مقدار کمی فاز لاوه به عنوان فاز فرعی است که توافق خوبی با نتایج محاسباتی دارد. تصویر SEM-BSE آلیاژ ریختگی یک ریزساختار دندریتی را نشان می دهد که دندریتها غنی از عناصر با نقطه ذوب بالاتر همچون تنگستن و مولیبدن و بین دندریت‌ها غنی از آلومینیم، تیتانیم و کروم است.  

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Senkov O.N., Miller J.D., Miracle D.B., Woodward C., Accelerated exploration of multi-principal element alloys with solid solution phases, Nature Communications, 2015, 6, 6529.
[2]  Ye Y.F., Wang Q., Lu J., Liu C.T., Yang Y., High-entropy alloy: challenges and prospects, Materials Today, 2016, 19(6) 349-362.
[3]  Feng R., Gao M.C., Lee C., Mathes M., Zuo T., Chen S., Hawk J.A., Zhang Y., Liaw P.K., Design of light-weight high-entropy alloys, Entropy,2016, 18(9) 333.
[4]  Gao M.C., Yeh J.W., Liaw P.K., Zhang Y., High-Entropy Alloys Fundamentals and Applications, Springer, 2016.
[5]  Tsai M.H., Yeh J.W., High-Entropy Alloys: A Critical Review, Materials Research Letters, 2014, 2, 107-123.
[6]  Abbasi E., Dehghani K., Phase prediction and microstructure of centrifugally cast non-equiatomic Co-Cr-Fe-Mn-Ni (Nb,C) high entropy alloys, Journal of Alloys and Compounds, 2019, 783, 292-299.
[7]  Chen J., Zhou X., Wang W., Liu B., Lv Y., Yang W., Xu D., L. Yong, A review on fundamental of high entropy alloys with promising high–temperature properties, Journal of Alloys and Compounds,2018, 760, 15-30.
[8]  Senkov O.N., Miracle D.B., Chaput K.J., Couzinie J.P., Development and exploration of refractory high entropy alloys- A review, Journal of Materials Research and Technology, 2018, 33(19) 3092-3128.
[9]  Yang X., Zhang Y., Prediction of high-entropy stabilized solid-solution in multi-component alloys, Materials Chemistry and Physics, 2012, 132, 233-238.
[10] King D.J.M., Middleburgh S.C., McGregor A.G., Cortie M.B., Predicting the formation and stability of single phase high-entropy alloys, Acta Materiali, 2016, 104, 172-179.
[11] Cai Z., Jin G., Cui X., Li Y., Fan Y., Song J., Experimental and simulated data about microstructure and phase composition of a NiCrCoTiV high-entropy alloy prepared by vacuum hot-pressing sintering, Vacuum, 2016, 124, 5-10.
[12] Huang M., Wang C., Cui H., Zhang W., Zhang C., Investigation of the structure and properties of AlCrCuFeNiVx high-entropy alloys, Vacuum, 2020, 173, 109-129.
[13] Nagase T., Todai M., Hori T., Nakano T., Microstructure of equiatomic and non-equiatomic Ti-Nb-Ta-Zr-Mo high-entropy alloys for metallic biomaterials, Journal of Alloys and Compound, 2018, 753, 412-421.
[14] Li Z., Raabe D., Strong and ductile non-equiatomic high-entropy alloys: design, processing, microstructure, and mechanical properties, Journal of the Minerals Metals and Materials Society, 2017, 69, 2099-2106.
[15] Pradeep K.G., Tasan C.C., Yao M.J., Deng Y., Springer H., Raabe D., Non-equiatomic high entropy alloys: Approach towards rapid alloy screening and property-oriented design, Materials Science and Engineering: A, 2015, 648, 183-192.
[16] Senkov O.N., Wilks G.B., Miracle D.B., Chuang C.P., Liaw P.K., Refractory high-entropy alloys, Intermetallics, 2010, 18, 1758-1765.
[17] Senkov O.N., Wilks G.B., Scott J.M., Miracle D.B., Mechanical properties of Nb25Mo25Ta25W25 and V20Nb20Mo20Ta20W20 refractory high entropy alloys, Intermetallics, 2011, 19, 698-706.
[18] Gorr B., Azim M., Christ H.J., Mueller T., Schliephake D., Heilmaier M., Phase equilibria, microstructure, and high temperature oxidation resistance of novel refractory high-entropy alloys, Journal of Alloys and Compounds, 2015, 624, 270-278.
[19] Yang X., Zhang Y., Liaw P.K., Microstructure and Compressive Properties of NbTiVTaAlx High Entropy Alloys, Procedia Engineering, 2012, 36, 292-298.
[20] Lilensten L., Couzinié J.P., Perrière L., Bourgon J., Emery N., Guillot I., New structure in refractory high-entropy alloys, Materials Letters, 2014, 132, 123-125.
[21] Wu Y., Si J., Lin D., Wang T., Wang W. Y., Wang Y., Liu Z., Hui X., Phase stability and mechanical properties of AlHfNbTiZr high-entropy alloys, Materials Science and Engineering: A, 2018, 724, 249-259.
[22] Xiang C., Han E.H., Zhang Z.M., Fu H.M., Wang J.Q., Zhang H.F., Hu G.D., Design of single-phase high-entropy alloys composed of low thermal neutron absorption cross-section elements for nuclear power plant application, Intermetallics, 2019, 104, 143-153.
[23] Yao H.W., Qiao J.W., Hawk J.A., Zhou H.F., Chen M.W., Gao M.C., Mechanical properties of refractory high-entropy alloys: Experiments and modeling, Journal of Alloys and Compounds, 2017, 696, 1139-1150.
[24] Senkov O.N., Jensen J.K., Pilchak A.L., Miracle D.B., Fraser H.L., Compositional variation effects on the microstructure and properties of a refractory high-entropy superalloy AlMo0.5NbTa0.5TiZr, Materials and Design, 2018, 139, 498-511.
[25] http://periodictable.com/Properties, (n.d.).
[26] Senkov O.N., Woodward C.F., Microstructure and properties of a refractory NbCrMo0.5Ta0.5TiZr alloy, Materials Science and Engineering: A, 2011, 529, 311-320.
[27] https:/www.sigmaaldrich.com, (n.d.).
[28] Yao H.W., Qiao J.W., Gao M.C., Hawk J.A., Ma S.G., Zhou H.F., Zhang Y., NbTaV-(Ti,W) refractory high-entropy alloys: Experiments and modeling, Materials Science and Engineering: A, 2016, 674, 203-211.