CoCrFeNi არის კარგად შესწავლილი სახეზე ორიენტირებული კუბური (fcc) მაღალი ენტროპიის შენადნობი (HEA) შესანიშნავი ელასტიურობით, მაგრამ შეზღუდული სიმტკიცით.ამ კვლევის ყურადღება გამახვილებულია ასეთი HEA-ების სიმტკიცისა და დნობის ბალანსის გაუმჯობესებაზე, სხვადასხვა რაოდენობის SiC-ის დამატებით რკალის დნობის მეთოდის გამოყენებით.დადგენილია, რომ ქრომის არსებობა ფუძე HEA-ში იწვევს SiC-ის დაშლას დნობისას.ამრიგად, თავისუფალი ნახშირბადის ურთიერთქმედება ქრომთან იწვევს ქრომის კარბიდების in situ წარმოქმნას, ხოლო თავისუფალი სილიციუმი რჩება ხსნარში საბაზისო HEA-ში და/ან ურთიერთქმედებს ელემენტებთან, რომლებიც ქმნიან ბაზის HEA-ს სილიციდების წარმოქმნით.SiC შემცველობის მატებასთან ერთად, მიკროსტრუქტურის ფაზა იცვლება შემდეგი თანმიმდევრობით: fcc → fcc + ევტექტიკა → fcc + ქრომის კარბიდის ფანტელები → fcc + ქრომის კარბიდის ფანტელები + სილიციდი → fcc + ქრომის კარბიდის ფანტელები + სილიციდი + გრაფიტის ბურთულები / გრაფიტის ფანტელები.შედეგად მიღებული კომპოზიტები ავლენენ მექანიკური თვისებების ძალიან ფართო დიაპაზონს (მოსავლიანობა 277 მპა-დან 60%-ზე მეტი დრეკადობით 2522 მპა-მდე 6%-იანი დრეკადობით) ჩვეულებრივ შენადნობებთან და მაღალი ენტროპიის შენადნობებთან შედარებით.შემუშავებული ზოგიერთი მაღალი ენტროპიის კომპოზიტი აჩვენებს მექანიკური თვისებების შესანიშნავ კომბინაციას (გამოყოფის სიძლიერე 1200 მპა, დრეკადობა 37%) და იკავებს მანამდე მიუწვდომელ უბნებს გამოყოფის დაძაბულობის გახანგრძლივების დიაგრამაზე.გარდა მნიშვნელოვანი დრეკადობისა, HEA კომპოზიტების სიმტკიცე და მოსავლიანობა იგივე დიაპაზონშია, როგორც ნაყარი მეტალის მინები.აქედან გამომდინარე, ითვლება, რომ მაღალი ენტროპიის კომპოზიტების შემუშავებამ შეიძლება ხელი შეუწყოს მექანიკური თვისებების შესანიშნავი კომბინაციის მიღწევას მოწინავე სტრუქტურული გამოყენებისთვის.
მაღალი ენტროპიის შენადნობების განვითარება პერსპექტიული ახალი კონცეფციაა მეტალურგიაში1,2.მაღალი ენტროპიის შენადნობები (HEA) აჩვენეს რიგ შემთხვევებში ფიზიკური და მექანიკური თვისებების შესანიშნავი კომბინაცია, მათ შორის მაღალი თერმული სტაბილურობა3,4 სუპერპლასტიკური დრეკადობა5,6 დაღლილობის წინააღმდეგობა7,8 კოროზიის წინააღმდეგობა9,10,11, შესანიშნავი აცვიათ წინააღმდეგობა12,13,14 ,15 და ტრიბოლოგიური თვისებები15 ,16,17 მაღალ ტემპერატურაზეც კი18,19,20,21,22 და მექანიკური თვისებები დაბალ ტემპერატურაზე23,24,25.HEA-ში მექანიკური თვისებების შესანიშნავ კომბინაციას, როგორც წესი, მიეკუთვნება ოთხი ძირითადი ეფექტი, კერძოდ, მაღალი კონფიგურაციის ენტროპია26, ძლიერი გისოსის დამახინჯება27, ნელი დიფუზია28 და კოქტეილის ეფექტი29.HEA ჩვეულებრივ კლასიფიცირდება როგორც FCC, BCC და HCP ტიპები.FCC HEA, როგორც წესი, შეიცავს გარდამავალ ელემენტებს, როგორიცაა Co, Cr, Fe, Ni და Mn და ავლენს შესანიშნავ დრეკადობას (თუნდაც დაბალ ტემპერატურაზე25), მაგრამ დაბალი სიმტკიცე.BCC HEA ჩვეულებრივ შედგება მაღალი სიმკვრივის ელემენტებისაგან, როგორიცაა W, Mo, Nb, Ta, Ti და V და აქვს ძალიან მაღალი სიმტკიცე, მაგრამ დაბალი ელასტიურობა და დაბალი სპეციფიკური სიმტკიცე30.
HEA-ს მიკროსტრუქტურული მოდიფიკაცია, რომელიც ეფუძნება დამუშავებას, თერმომექანიკურ დამუშავებას და ელემენტების დამატებას, გამოკვლეულია მექანიკური თვისებების საუკეთესო კომბინაციის მისაღებად.CoCrFeMnNi FCC HEA ექვემდებარება მძიმე პლასტმასის დეფორმაციას მაღალი წნევის ტორსიით, რაც იწვევს სიხისტის (520 HV) და სიმტკიცის მნიშვნელოვან ზრდას (1950 მპა), მაგრამ ნანოკრისტალური მიკროსტრუქტურის განვითარება (~ 50 ნმ) შენადნობას მტვრევად ხდის31. .აღმოჩნდა, რომ დაძმობილების ელასტიურობის (TWIP) და ტრანსფორმაციით გამოწვეული პლასტიურობის (TRIP) ჩართვა CoCrFeMnNi HEA-ებში იძლევა სამუშაოს კარგ გამაგრებას, რაც იწვევს მაღალი დაჭიმვის ელასტიურობას, თუმცა დაჭიმვის სიძლიერის რეალური მნიშვნელობების ხარჯზე.ქვემოთ (1124 MPa) 32. ფენიანი მიკროსტრუქტურის (რომელიც შედგება თხელი დეფორმირებული ფენისა და არადეფორმირებული ბირთვისგან) ფორმირებამ CoCrFeMnNi HEA-ში გასროლის გამოყენებით გამოიწვია სიძლიერის ზრდა, მაგრამ ეს გაუმჯობესება შემოიფარგლა დაახლოებით 700 MPa33-ით.სიმტკიცისა და ელასტიურობის საუკეთესო კომბინაციის მქონე მასალების მოსაძებნად, ასევე გამოკვლეულია მრავალფაზიანი HEA-ების და ევტექტიკური HEA-ების განვითარება არაიზოატომური ელემენტების დანამატების გამოყენებით34,35,36,37,38,39,40,41.მართლაც, აღმოჩნდა, რომ მძიმე და რბილი ფაზების უფრო წვრილმა განაწილებამ ევტექტიკურ მაღალი ენტროპიის შენადნობებში შეიძლება გამოიწვიოს სიმტკიცისა და დრეკადობის შედარებით უკეთესი კომბინაცია35,38,42,43.
CoCrFeNi სისტემა არის ფართოდ შესწავლილი ერთფაზიანი FCC მაღალი ენტროპიის შენადნობი.ეს სისტემა ავლენს სწრაფი მუშაობის გამკვრივების თვისებებს44 და შესანიშნავ დრეკადობას45,46 როგორც დაბალ, ასევე მაღალ ტემპერატურაზე.გაკეთდა სხვადასხვა მცდელობა მისი შედარებით დაბალი სიმტკიცის (~300 მპა) 47,48 გასაუმჯობესებლად, მათ შორის მარცვლების დახვეწა25, ჰეტეროგენული მიკროსტრუქტურა49, ნალექები50,51,52 და ტრანსფორმაციით გამოწვეული პლასტიურობა (TRIP)53.ჩამოსხმული სახეზე ორიენტირებული კუბური HEA CoCrFeNi-ის მარცვლების დახვეწა მძიმე პირობებში ცივ მოზიდვით ზრდის სიმტკიცეს დაახლოებით 300 MPa47.48-დან 1.2 GPa25-მდე, მაგრამ ამცირებს დრეკადობის დაკარგვას 60%-დან 12.6%-მდე.CoCrFeNi-ის HEA-ში Al-ის დამატებამ გამოიწვია ჰეტეროგენული მიკროსტრუქტურის ფორმირება, რამაც გაზარდა მისი გამტარუნარიანობა 786 მპა-მდე და შედარებითი დრეკადობა დაახლოებით 22%49-მდე.CoCrFeNi HEA დაემატა Ti და Al-ით, რათა წარმოქმნას ნალექები, რითაც წარმოიქმნა ნალექების გაძლიერება, გაზარდა მისი მოსავლიანობა 645 მპა-მდე და დრეკადობა 39%51-მდე.TRIP მექანიზმმა (სახეზე ორიენტირებული კუბური → ჰექსაჰედრული მარტენზიტული ტრანსფორმაცია) და დაძმობილებამ გაზარდა CoCrFeNi HEA-ს დაჭიმვის სიმტკიცე 841 მპა-მდე და დრეკადობა შესვენებისას 76%53-მდე.
ასევე გაკეთდა მცდელობები, დაემატებინათ კერამიკული გამაგრება HEA სახეზე ორიენტირებულ კუბურ მატრიქსში, რათა შეიქმნას მაღალი ენტროპიის კომპოზიტები, რომლებსაც შეუძლიათ აჩვენონ სიძლიერისა და ელასტიურობის უკეთესი კომბინაცია.მაღალი ენტროპიის მქონე კომპოზიტები დამუშავებულია ვაკუუმური რკალით44, მექანიკური შენადნობით45,46,47,48,52,53, ნაპერწკალი პლაზმური აგლომერებით46,51,52, ვაკუუმური ცხელი წნევით45, ცხელი იზოსტატიკური წნევით47,48 და დანამატების წარმოების შემუშავებით43, 50.კარბიდები, ოქსიდები და ნიტრიდები, როგორიცაა WC44, 45, 46, Al2O347, SiC48, TiC43, 49, TiN50 და Y2O351 გამოყენებული იქნა როგორც კერამიკული გამაგრება HEA კომპოზიტების შემუშავებაში.სწორი HEA მატრიცის და კერამიკის არჩევა განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია ძლიერი და გამძლე HEA კომპოზიტის დიზაინისა და შემუშავებისას.ამ ნამუშევარში მატრიცის მასალად არჩეულ იქნა CoCrFeNi.სხვადასხვა რაოდენობით SiC დაემატა CoCrFeNi HEA-ს და შეისწავლეს მათი გავლენა მიკროსტრუქტურაზე, ფაზურ შემადგენლობაზე და მექანიკურ თვისებებზე.
HEA კომპოზიტების შესაქმნელად გამოყენებული იქნა მაღალი სისუფთავის ლითონები Co, Cr, Fe და Ni (99,95 wt%) და SiC ფხვნილი (სისუფთავე 99%, ზომა -400 mesh) ელემენტარული ნაწილაკების სახით.CoCrFeNi HEA-ს იზოატომური შემადგენლობა ჯერ მოთავსდა ნახევარსფეროს წყალში გაცივებულ სპილენძის ყალიბში, შემდეგ კი კამერა ევაკუირებული იყო 3·10-5 მბარ-მდე.მაღალი სისუფთავის არგონის გაზი შეყვანილია ვაკუუმის მისაღწევად, რომელიც საჭიროა რკალის დნობისთვის არამოხმარებადი ვოლფრამის ელექტროდებით.შედეგად მიღებული ინგოტები ინვერსიულია და ხელახლა დნება ხუთჯერ კარგი ერთგვაროვნების უზრუნველსაყოფად.სხვადასხვა კომპოზიციის მაღალი ენტროპიის კომპოზიტები მომზადდა გარკვეული რაოდენობის SiC-ის დამატებით ეკვატომურ CoCrFeNi ღილაკებზე, რომლებიც ხელახლა ჰომოგენიზირებული იყო ხუთჯერადი ინვერსიით და ხელახლა დნობით თითოეულ შემთხვევაში.მიღებული კომპოზიტიდან ჩამოსხმული ღილაკი მოჭრილი იქნა EDM-ის გამოყენებით შემდგომი ტესტირებისა და დახასიათებისთვის.ნიმუშები მიკროსტრუქტურული კვლევებისთვის მომზადდა სტანდარტული მეტალოგრაფიული მეთოდების მიხედვით.პირველ რიგში, ნიმუშები გამოიკვლიეს სინათლის მიკროსკოპის გამოყენებით (Leica Microscope DM6M) პროგრამული უზრუნველყოფით Leica Image Analysis (LAS Phase Expert) რაოდენობრივი ფაზის ანალიზისთვის.ფაზური ანალიზისთვის შეირჩა სამი სურათი, გადაღებული სხვადასხვა რაიონში, საერთო ფართობით დაახლოებით 27,000 μm2.შემდგომი დეტალური მიკროსტრუქტურული კვლევები, მათ შორის ქიმიური შემადგენლობის ანალიზი და ელემენტების განაწილების ანალიზი, ჩატარდა სკანირების ელექტრონულ მიკროსკოპზე (JEOL JSM-6490LA), რომელიც აღჭურვილი იყო ენერგიის დისპერსიული სპექტროსკოპიის (EDS) ანალიზის სისტემით.HEA კომპოზიტის კრისტალური სტრუქტურის დახასიათება განხორციელდა რენტგენის დიფრაქციული სისტემის გამოყენებით (Bruker D2 ფაზის გადამრთველი) CuKα წყაროს გამოყენებით საფეხურის ზომით 0,04°.მიკროსტრუქტურული ცვლილებების გავლენა HEA კომპოზიტების მექანიკურ თვისებებზე შესწავლილი იქნა ვიკერსის მიკროსიხისტის ტესტებისა და შეკუმშვის ტესტების გამოყენებით.სიხისტის ტესტისთვის, 500 ნ დატვირთვა გამოიყენება 15 წამის განმავლობაში, მინიმუმ 10 ჩაღრმავების გამოყენებით თითო ნიმუშზე.HEA კომპოზიტების შეკუმშვის ტესტები ოთახის ტემპერატურაზე ჩატარდა მართკუთხა ნიმუშებზე (7 მმ × 3 მმ × 3 მმ) Shimadzu 50KN უნივერსალური ტესტირების მანქანაზე (UTM) საწყისი დაძაბვის სიჩქარით 0,001/წმ.
მაღალი ენტროპიის კომპოზიტები, შემდგომში მოხსენიებული, როგორც ნიმუშები S-1-დან S-6-მდე, მომზადდა 3%, 6%, 9%, 12%, 15% და 17% SiC (ყველა წონით%) CoCrFeNi მატრიცაში დამატებით. .შესაბამისად.საცნობარო ნიმუში, რომელსაც არ დაემატა SiC, შემდგომში მოიხსენიება, როგორც ნიმუში S-0.განვითარებული HEA კომპოზიტების ოპტიკური მიკროგრაფები ნაჩვენებია ნახ.1, სადაც, სხვადასხვა დანამატების დამატების გამო, CoCrFeNi HEA-ს ერთფაზიანი მიკროსტრუქტურა გადაკეთდა მიკროსტრუქტურად, რომელიც შედგებოდა მრავალი ფაზისგან განსხვავებული მორფოლოგიით, ზომითა და განაწილებით.შემადგენლობაში SiC-ის რაოდენობა.თითოეული ფაზის რაოდენობა განისაზღვრა გამოსახულების ანალიზით LAS Phase Expert პროგრამული უზრუნველყოფის გამოყენებით.სურათი 1-ის ჩასმა (ზედა მარჯვენა) გვიჩვენებს მაგალითს ამ ანალიზისთვის, ისევე როგორც ფართობის წილადს თითოეული ფაზის კომპონენტისთვის.
შემუშავებული მაღალი ენტროპიის კომპოზიტების ოპტიკური მიკროგრაფები: (ა) C-1, (ბ) C-2, (გ) C-3, (დ) C-4, (ე) C-5 და (ვ) C- 6.ჩანართი გვიჩვენებს კონტრასტზე დაფუძნებული გამოსახულების ფაზის ანალიზის შედეგების მაგალითს LAS Phase Expert პროგრამული უზრუნველყოფის გამოყენებით.
როგორც ნაჩვენებია ნახ.1a, ევტექტიკური მიკროსტრუქტურა ჩამოყალიბდა C-1 კომპოზიტის მატრიცის მოცულობებს შორის, სადაც მატრიცის და ევტექტიკური ფაზების რაოდენობა შეფასებულია, როგორც 87,9 ± 0,47% და 12,1% ± 0,51%, შესაბამისად.1b-ზე გამოსახულ კომპოზიტში (C-2), გამაგრების დროს ევტექტიკური რეაქციის ნიშნები არ არის და შეიმჩნევა C-1 კომპოზიტისგან სრულიად განსხვავებული მიკროსტრუქტურა.C-2 კომპოზიტის მიკროსტრუქტურა შედარებით თხელია და შედგება მატრიცის ფაზაში (fcc) თანაბრად გადანაწილებული თხელი ფირფიტებისგან (კარბიდები).მატრიცის და კარბიდის მოცულობითი ფრაქციები შეფასებულია შესაბამისად 72 ± 1.69% და 28 ± 1.69%.მატრიქსისა და კარბიდის გარდა, ახალი ფაზა (სილიციდი) იქნა ნაპოვნი C-3 კომპოზიტში, როგორც ნაჩვენებია ნახატ 1c-ში, სადაც ასეთი სილიციდის, კარბიდის და მატრიცის ფაზების მოცულობითი ფრაქციები შეფასებულია დაახლოებით 26.5% ± 0,41%, 25,9 ± 0,53 და 47,6 ± 0,34, შესაბამისად.კიდევ ერთი ახალი ფაზა (გრაფიტი) ასევე დაფიქსირდა C-4 კომპოზიტის მიკროსტრუქტურაში;სულ გამოვლინდა ოთხი ფაზა.გრაფიტის ფაზას აქვს მკაფიო გლობულური ფორმა მუქი კონტრასტით ოპტიკურ გამოსახულებებში და წარმოდგენილია მხოლოდ მცირე რაოდენობით (სავარაუდო მოცულობითი ფრაქცია არის მხოლოდ დაახლოებით 0,6 ± 0,30%).C-5 და C-6 კომპოზიტებში გამოვლინდა მხოლოდ სამი ფაზა და ამ კომპოზიტებში მუქი კონტრასტული გრაფიტის ფაზა ფანტელების სახით ჩნდება.კომპოზიტ S-5-ში გრაფიტის ფანტელებთან შედარებით, კომპოზიტ S-6-ში გრაფიტის ფანტელები უფრო ფართო, მოკლე და უფრო რეგულარულია.გრაფიტის შემცველობის შესაბამისი ზრდა ასევე დაფიქსირდა 14,9 ± 0,85%-დან C-5 კომპოზიტში დაახლოებით 17,4 ± 0,55%-მდე C-6 კომპოზიტში.
HEA კომპოზიტის თითოეული ფაზის დეტალური მიკროსტრუქტურისა და ქიმიური შემადგენლობის შემდგომი გამოსაკვლევად, ნიმუშები გამოიკვლიეს SEM-ის გამოყენებით, ასევე ჩატარდა EMF წერტილის ანალიზი და ქიმიური რუქა.C-1 კომპოზიტის შედეგები ნაჩვენებია ნახ.2, სადაც ნათლად ჩანს ძირითადი მატრიცის ფაზის რეგიონების გამიჯნული ევტექტიკური ნარევების არსებობა.C-1 კომპოზიტის ქიმიური რუკა ნაჩვენებია ნახაზზე 2c, სადაც ჩანს, რომ Co, Fe, Ni და Si თანაბრად არის განაწილებული მატრიცის ფაზაში.თუმცა, Cr-ის მცირე რაოდენობა აღმოჩნდა მატრიცის ფაზაში ბაზის HEA-ს სხვა ელემენტებთან შედარებით, რაც ვარაუდობს, რომ Cr მატრიციდან გავრცელდა.თეთრი ევტექტიკური ფაზის შემადგენლობა SEM გამოსახულებაში მდიდარია ქრომითა და ნახშირბადით, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ეს არის ქრომის კარბიდი.დისკრეტული SiC ნაწილაკების არარსებობა მიკროსტრუქტურაში, მატრიცაში ქრომის დაბალ შემცველობასთან და ქრომის მდიდარი ფაზების შემცველი ევტექტიკური ნარევების არსებობასთან ერთად, მიუთითებს დნობის დროს SiC-ის სრულ დაშლაზე.SiC-ის დაშლის შედეგად, სილიციუმი იხსნება მატრიცის ფაზაში და თავისუფალი ნახშირბადი ურთიერთქმედებს ქრომთან და ქმნის ქრომის კარბიდებს.როგორც ჩანს, EMF მეთოდით ხარისხობრივად განისაზღვრა მხოლოდ ნახშირბადი, ხოლო ფაზის ფორმირება დადასტურდა რენტგენის დიფრაქციულ ნიმუშებში დამახასიათებელი კარბიდის პიკების იდენტიფიცირებით.
(ა) ნიმუში S-1-ის SEM გამოსახულება, (ბ) გადიდებული სურათი, (გ) ელემენტის რუკა, (დ) EMF შედეგები მითითებულ ადგილებში.
C-2 კომპოზიტის ანალიზი ნაჩვენებია ნახ.3. ოპტიკურ მიკროსკოპში გარეგნობის მსგავსად, SEM გამოკვლევამ გამოავლინა მშვენიერი სტრუქტურა, რომელიც შედგება მხოლოდ ორი ფაზისგან, თხელი ლამელარული ფაზის არსებობით, რომელიც თანაბრად ნაწილდება სტრუქტურაში.მატრიცული ფაზა და არ არსებობს ევტექტიკური ფაზა.ელემენტების განაწილებამ და ლამელარული ფაზის EMF წერტილის ანალიზმა გამოავლინა Cr (ყვითელი) და C (მწვანე) შედარებით მაღალი შემცველობა ამ ფაზაში, რაც კვლავ მიუთითებს დნობის დროს SiC-ის დაშლაზე და გამოთავისუფლებული ნახშირბადის ურთიერთქმედებაზე ქრომის ეფექტთან. .VEA მატრიცა ქმნის ლამელარული კარბიდის ფაზას.ელემენტების განაწილებამ და მატრიცის ფაზის წერტილოვანმა ანალიზმა აჩვენა, რომ კობალტის, რკინის, ნიკელის და სილიციუმის უმეტესობა იმყოფება მატრიცის ფაზაში.
(ა) ნიმუში S-2-ის SEM გამოსახულება, (ბ) გადიდებული სურათი, (გ) ელემენტის რუკა, (დ) EMF შედეგები მითითებულ ადგილებში.
C-3 კომპოზიტების SEM კვლევებმა გამოავლინა ახალი ფაზების არსებობა კარბიდისა და მატრიცის ფაზების გარდა.ელემენტარული რუკა (ნახ. 4c) და EMF წერტილის ანალიზი (ნახ. 4d) აჩვენებს, რომ ახალი ფაზა მდიდარია ნიკელით, კობალტით და სილიკონით.
(ა) ნიმუში S-3-ის SEM გამოსახულება, (ბ) გადიდებული სურათი, (გ) ელემენტის რუკა, (დ) EMF შედეგები მითითებულ ადგილებში.
C-4 კომპოზიტის SEM და EMF ანალიზის შედეგები ნაჩვენებია ნახ.5. კომპოზიტ C-3-ში დაფიქსირებული სამი ფაზის გარდა, აღმოჩნდა გრაფიტის კვანძების არსებობაც.სილიკონით მდიდარი ფაზის მოცულობითი წილი ასევე უფრო მაღალია, ვიდრე C-3 კომპოზიტისა.
(ა) ნიმუში S-4-ის SEM გამოსახულება, (ბ) გადიდებული სურათი, (გ) ელემენტის რუკა, (დ) EMF შედეგები მითითებულ ადგილებში.
S-5 და S-6 კომპოზიტების SEM და EMF სპექტრების შედეგები ნაჩვენებია სურათებში 1 და 2. 6 და 7, შესაბამისად.გარდა მცირე რაოდენობის სფეროებისა, დაფიქსირდა გრაფიტის ფანტელების არსებობაც.როგორც გრაფიტის ფანტელების რაოდენობა, ასევე სილიციუმის შემცველი ფაზის მოცულობითი წილი C-6 კომპოზიტში მეტია ვიდრე C-5 კომპოზიტში.
(ა) C-5 ნიმუშის SEM გამოსახულება, (ბ) გადიდებული ხედი, (გ) ელემენტარული რუკა, (დ) EMF შედეგები მითითებულ ადგილებში.
(ა) ნიმუში S-6-ის SEM გამოსახულება, (ბ) გადიდებული სურათი, (გ) ელემენტის რუკა, (დ) EMF შედეგები მითითებულ ადგილებში.
HEA კომპოზიტების კრისტალური სტრუქტურის დახასიათება ასევე განხორციელდა XRD გაზომვების გამოყენებით.შედეგი ნაჩვენებია სურათზე 8. საბაზისო WEA (S-0) დიფრაქციულ ნიმუშში ჩანს მხოლოდ fcc ფაზის შესაბამისი მწვერვალები.C-1, C-2 და C-3 კომპოზიტების რენტგენის დიფრაქციის ნიმუშებმა გამოავლინა დამატებითი მწვერვალების არსებობა, რომლებიც შეესაბამება ქრომის კარბიდს (Cr7C3) და მათი ინტენსივობა უფრო დაბალი იყო C-3 და C-4 ნიმუშებისთვის, რაც მიუთითებს რომ ასევე მონაცემთა EMF ამ ნიმუშებისთვის.Co/Ni სილიციდების შესაბამისი მწვერვალები დაფიქსირდა S-3 და S-4 ნიმუშებზე, კვლავ შეესაბამება EDS რუკების შედეგებს, რომლებიც ნაჩვენებია სურათებში 2 და 3. როგორც ნაჩვენებია სურათზე 3 და სურათზე 4. დაფიქსირდა 5 და S-6 მწვერვალები. გრაფიტის შესაბამისი.
შემუშავებული კომპოზიტების ორივე მიკროსტრუქტურული და კრისტალოგრაფიული მახასიათებლები მიუთითებს დამატებული SiC-ის დაშლაზე.ეს გამოწვეულია ქრომის არსებობით VEA მატრიცაში.ქრომს აქვს ძალიან ძლიერი მიდრეკილება ნახშირბადთან 54.55 და რეაგირებს თავისუფალ ნახშირბადთან კარბიდების წარმოქმნით, რაც მიუთითებს მატრიცის ქრომის შემცველობის დაქვეითებაზე.Si გადადის fcc ფაზაში SiC56-ის დისოციაციის გამო.ამრიგად, საბაზისო HEA-ში SiC-ის დამატების ზრდამ განაპირობა კარბიდის ფაზის და თავისუფალი Si-ის რაოდენობის ზრდა მიკროსტრუქტურაში.აღმოჩნდა, რომ ეს დამატებითი Si დეპონირდება მატრიცაში დაბალ კონცენტრაციებში (კომპოზიტებში S-1 და S-2), ხოლო უფრო მაღალ კონცენტრაციებში (კომპოზიტები S-3-დან S-6) იწვევს დამატებით კობალტის დეპონირებას/.ნიკელის სილიციდი.Co და Ni სილიციდების წარმოქმნის სტანდარტული ენთალპია, მიღებული პირდაპირი სინთეზის მაღალტემპერატურული კალორიმეტრიით, არის -37,9 ± 2,0, -49,3 ± 1,3, -34,9 ± 1,1 კჯ მოლი -1 Co2Si, CoSi და CoSi2 შესაბამისად. მნიშვნელობებია – 50,6 ± 1,7 და – 45,1 ± 1,4 კჯ მოლ-157 Ni2Si და Ni5Si2, შესაბამისად.ეს მნიშვნელობები უფრო დაბალია, ვიდრე SiC-ის წარმოქმნის სითბო, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ SiC-ის დისოციაცია, რომელიც იწვევს Co/Ni სილიციდების წარმოქმნას, ენერგიულად ხელსაყრელია.ორივე S-5 და S-6 კომპოზიტებში იყო დამატებითი თავისუფალი სილიციუმი, რომელიც შეიწოვებოდა სილიციდის წარმოქმნის მიღმა.აღმოჩნდა, რომ ეს თავისუფალი სილიციუმი ხელს უწყობს ჩვეულებრივ ფოლადებში დაფიქსირებულ გრაფიტიზაციას58.
HEA-ზე დაფუძნებული შემუშავებული კერამიკული რკინა კომპოზიტების მექანიკური თვისებები გამოკვლეულია შეკუმშვის ტესტებით და სიხისტის ტესტებით.განვითარებული კომპოზიტების დაძაბულობა-დაძაბულობის მრუდები ნაჩვენებია ნახ.9a, ხოლო ნახ. 9b-ზე გვიჩვენებს განლაგებას განვითარებული კომპოზიტების სპეციფიკურ წევის სიძლიერეს, წევის ძალას, სიმტკიცესა და დრეკადობას შორის.
(ა) შეკუმშვის დაძაბულობის მრუდები და (ბ) გაფანტული ნახაზები, რომლებიც აჩვენებენ სპეციფიკურ წევის დაძაბულობას, წევის ძალას, სიმტკიცეს და დრეკადობას.გაითვალისწინეთ, რომ ნაჩვენებია მხოლოდ ნიმუშები S-0-დან S-4-მდე, რადგან ნიმუშები S-5 და S-6 შეიცავს მნიშვნელოვან ჩამოსხმის დეფექტებს.
როგორც ჩანს ნახ.9, მოსავლიანობის სიძლიერე გაიზარდა 136 მპა-დან საბაზისო VES-ისთვის (C-0) 2522 მპა-მდე C-4 კომპოზიტისთვის.ძირითად WPP-თან შედარებით, S-2 კომპოზიტმა აჩვენა ძალიან კარგი დრეკადობა მარცხამდე დაახლოებით 37%, და ასევე აჩვენა მნიშვნელოვნად მაღალი მოსავლიანობის სიძლიერის მნიშვნელობები (1200 მპა).ამ კომპოზიტის სიმტკიცისა და ელასტიურობის შესანიშნავი კომბინაცია განპირობებულია მთლიანი მიკროსტრუქტურის გაუმჯობესებით, მათ შორის წვრილი კარბიდის ლამელების ერთგვაროვანი განაწილებით მიკროსტრუქტურაში, რაც, სავარაუდოდ, აფერხებს დისლოკაციის მოძრაობას.C-3 და C-4 კომპოზიტების გამოსავლიანობა არის 1925 მპა და 2522 მპა, შესაბამისად.ეს მაღალი მოსავლიანობის სიძლიერე შეიძლება აიხსნას ცემენტირებული კარბიდისა და სილიციდური ფაზების მაღალი მოცულობითი ფრაქციით.თუმცა, ამ ფაზების არსებობამ ასევე გამოიწვია დრეკადობა შესვენებისას მხოლოდ 7%.ბაზის კომპოზიტების CoCrFeNi HEA (S-0) და S-1 დაძაბულობა-დაძაბულობის მრუდები ამოზნექილია, რაც მიუთითებს დაძმობილების ეფექტის ან TRIP59,60 გააქტიურებაზე.S-1 ნიმუშთან შედარებით, S-2 ნიმუშის დაძაბულობა-დაძაბულობის მრუდი აქვს ჩაზნექილი ფორმა დაძაბულობის დროს დაახლოებით 10,20%, რაც ნიშნავს, რომ ნორმალური დისლოკაციის სრიალი არის ნიმუშის მთავარი დეფორმაციის რეჟიმი ამ დეფორმირებულ მდგომარეობაში60,61. .თუმცა, ამ ნიმუშში გამკვრივების სიჩქარე რჩება მაღალი დაძაბულობის დიდ დიაპაზონში, ხოლო უფრო მაღალ შტამებზე ასევე ჩანს კონვექსიზმზე გადასვლა (თუმცა არ არის გამორიცხული, რომ ეს გამოწვეული იყოს საპოხი კომპრესიული დატვირთვების უკმარისობით).).C-3 და C-4 კომპოზიტებს აქვთ მხოლოდ შეზღუდული პლასტიურობა კარბიდების და სილიციდების უფრო მაღალი მოცულობის ფრაქციების მიკროსტრუქტურაში არსებობის გამო.C-5 და C-6 კომპოზიტების ნიმუშების შეკუმშვის ტესტები არ ჩატარებულა კომპოზიტების ამ ნიმუშებზე ჩამოსხმის მნიშვნელოვანი დეფექტების გამო (იხ. სურ. 10).
ჩამოსხმის დეფექტების სტერეომიკროგრაფია (მითითებულია წითელი ისრებით) კომპოზიტების C-5 და C-6 ნიმუშებში.
VEA კომპოზიტების სიხისტის გაზომვის შედეგები ნაჩვენებია ნახ.9ბ.საბაზისო WEA-ს აქვს სიმტკიცე 130±5 HV, ხოლო ნიმუშებს S-1, S-2, S-3 და S-4 აქვთ სიხისტის მნიშვნელობები 250±10 HV, 275±10 HV, 570±20 HV და 755±20 HV.სიხისტის მატება კარგად ემთხვეოდა შეკუმშვის ტესტების შედეგად მიღებულ მოსავლიანობის სიძლიერის ცვლილებას და დაკავშირებული იყო კომპოზიტში მყარი ნივთიერებების რაოდენობის ზრდასთან.გამოთვლილი სპეციფიკური მოსავლიანობის სიძლიერე თითოეული ნიმუშის სამიზნე შემადგენლობის საფუძველზე ასევე ნაჩვენებია ნახ.9ბ.ზოგადად, კომპოზიციის C-2-სთვის შეინიშნება წევის სიძლიერის (1200 მპა), სიხისტის (275 ± 10 HV) და უკმარისობის შედარებით დრეკადობის (~37%) საუკეთესო კომბინაცია.
შემუშავებული კომპოზიტის მოსავლიანობის და შედარებითი დრეკადობის შედარება სხვადასხვა კლასის მასალებთან ნაჩვენებია ნახ. 11ა.CoCrFeNi-ზე დაფუძნებული კომპოზიტები ამ კვლევაში აჩვენებდნენ მაღალ დრეკადობას ნებისმიერ მოცემულ სტრესის დონეზე62.ასევე ჩანს, რომ ამ კვლევაში შემუშავებული HEA კომპოზიტების თვისებები მდგომარეობს ნაკვეთის მანამდე დაუცველ რეგიონში მოსავლიანობის სიძლიერის წინააღმდეგ დრეკადობის მიმართ.გარდა ამისა, განვითარებულ კომპოზიტებს აქვთ სიძლიერის (277 მპა, 1200 მპა, 1925 მპა და 2522 მპა) და დრეკადობის (>60%, 37%, 7.3% და 6.19%) კომბინაციების ფართო სპექტრი.მოსავლიანობის სიძლიერე ასევე მნიშვნელოვანი ფაქტორია მოწინავე საინჟინრო პროგრამებისთვის მასალების შერჩევისას63,64.ამასთან დაკავშირებით, წინამდებარე გამოგონების HEA კომპოზიტები აჩვენებენ მოსავლიანობის სიძლიერისა და დრეკადობის შესანიშნავ კომბინაციას.ეს იმის გამო ხდება, რომ დაბალი სიმკვრივის SiC-ის დამატება იწვევს კომპოზიტებს მაღალი სპეციფიკური მოსავლიანობით.HEA კომპოზიტების სპეციფიკური მოსავლიანობა და დრეკადობა იმავე დიაპაზონშია, როგორც HEA FCC და ცეცხლგამძლე HEA, როგორც ნაჩვენებია ნახ. 11b.შემუშავებული კომპოზიტების სიხისტე და მოსავლიანობა იმავე დიაპაზონშია, როგორც მასიური მეტალის მინების65 (ნახ. 11c).მასიური მეტალის სათვალეები (BMS) ხასიათდება მაღალი სიმტკიცით და გამძლეობით, მაგრამ მათი დრეკადობა შეზღუდულია66,67.თუმცა, ამ კვლევაში შემუშავებული ზოგიერთი HEA კომპოზიტის სიმტკიცე და გამოსავლიანობა ასევე აჩვენა მნიშვნელოვანი დრეკადობა.ამრიგად, დაასკვნეს, რომ VEA-ს მიერ შემუშავებულ კომპოზიტებს აქვთ მექანიკური თვისებების უნიკალური და მოთხოვნადი კომბინაცია სხვადასხვა სტრუქტურული გამოყენებისთვის.მექანიკური თვისებების ეს უნიკალური კომბინაცია აიხსნება მყარი კარბიდების ერთგვაროვანი დისპერსიით, რომლებიც იქმნება ადგილზე FCC HEA მატრიცაში.თუმცა, სიძლიერის უკეთესი კომბინაციის მიღწევის მიზნის ფარგლებში, კერამიკული ფაზების დამატების შედეგად მიღებული მიკროსტრუქტურული ცვლილებები გულდასმით უნდა იყოს შესწავლილი და კონტროლირებადი, რათა თავიდან იქნას აცილებული ჩამოსხმის დეფექტები, როგორიცაა S-5 და S-6 კომპოზიტებში ნაპოვნი და მოქნილობა.სქესი.
ამ კვლევის შედეგები შეადარეს სხვადასხვა სტრუქტურულ მასალებს და HEA-ებს: (ა) დრეკადობა დაწებებასთან მიმართებაში62, (ბ) სპეციფიკური წევის დაძაბულობა დრეკადობის წინააღმდეგ63 და (გ) წევის ძალა სიხისტესთან მიმართებაში65.
შესწავლილია HEA-კერამიკული კომპოზიტების სერიის მიკროსტრუქტურა და მექანიკური თვისებები HEA CoCrFeNi სისტემაზე დაფუძნებული SiC-ის დამატებით და გამოტანილია შემდეგი დასკვნები:
მაღალი ენტროპიის შენადნობის კომპოზიტების წარმატებით განვითარება შესაძლებელია CoCrFeNi HEA-ში SiC-ის დამატებით რკალის დნობის მეთოდის გამოყენებით.
SiC იშლება რკალის დნობის დროს, რაც იწვევს კარბიდის, სილიციდის და გრაფიტის ფაზების in situ ფორმირებას, რომელთა არსებობა და მოცულობითი წილი დამოკიდებულია საბაზო HEA-ში დამატებულ SiC-ის რაოდენობაზე.
HEA კომპოზიტები ავლენენ ბევრ შესანიშნავ მექანიკურ თვისებებს, ისეთი თვისებებით, რომლებიც მიეკუთვნება მანამდე დაუკავებელ უბნებს მოსავლიანობის სიძლიერეს დრეკადობის ნაკვეთზე.6 wt% SiC-ის გამოყენებით დამზადებული HEA კომპოზიტის გამტარუნარიანობა რვაჯერ აღემატებოდა საბაზისო HEA-ს, ხოლო შენარჩუნებული იყო 37% ელასტიურობა.
HEA კომპოზიტების სიხისტე და გამოსავლიანობა არის ნაყარი მეტალის სათვალეების (BMG) დიაპაზონში.
დასკვნები ვარაუდობენ, რომ მაღალი ენტროპიის შენადნობის კომპოზიტები წარმოადგენენ პერსპექტიულ მიდგომას ლითონის მექანიკური თვისებების შესანიშნავი კომბინაციის მისაღწევად მოწინავე სტრუქტურული გამოყენებისთვის.
გამოქვეყნების დრო: ივლის-12-2023