Wytwarzanie i charakterystyka nowych, wysokoentropowych stopów
z układu Al-Ti-Co-Ni-Fe
Stopy wysokoentropowe (z ang. high-entropy alloys HEAs) składają się z co najmniej pięciu składników głównych (od 5 do 35% at.). Pomimo złożonego składu chemicznego charakteryzują się prostą strukturą krystalograficzną typu regularnej przestrzennie centrowanej (RPC) oraz regularnej ściennie centrowanej (RSC) bez dodatkowych faz międzymetalicznych. Warunek pięciu głównych składników stopowych jest jednym z najważniejszych w definicji stopów wysokoentropowych - warunkuje on uzyskanie wartości entropii zmieszania (Smix) powyżej 1,5R (R-stała gazowa). Obok warunków wysokiej entropii stopy wieloskładnikowe powinny spełniać szereg innych obostrzeń, pozwalających na uzyskanie materiałów o prostej strukturze krystalograficznej, która może być określona na etapie projektowania, na podstawie parametrów VEC (z ang. valance electron concentration). Wszystkie komponenty definicji stopów wysokoentropowych zostały szczegółowo omówione w pierwszej części pracy. Badanie poszczególnych parametrów wchodzących w skład definicji HEA pozwoliło na określenie zależności pomiędzy parametrami termodynamicznymi, a mikrostrukturą i strukturą stopów wieloskładnikowych w układzie Al-Ti-Co-Ni-Fe. Kolejnym etapem badań po optymalizacji składu chemicznego stopów wieloskładnikowych w kierunku otrzymywania stopów wysokoentropowych w układzie Al-Ti-Co-Ni-Fe było zastosowanie techniki wytwarzania metodą klasycznej metalurgii proszków jako metody alternatywnej dla syntezy metodą odlewania w piecu łukowym. Dla wytworzonych stopów opracowano warunki obróbki cieplnej, która pozwoliła na ograniczenie pierwotnej porowatości powstającej na etapie spiekania i wyżarzania. Analogiczne warunki obróbki cieplnej zastosowano dla materiałów odlewanych w celu porównaniu struktur otrzymanych obiema metodami syntezy. Zauważono, że materiały odlewane po obróbce cieplnej cechowały się ujednorodnieniem struktury oraz równomierną dystrybucją pierwiastków w objętości materiału. Spośród materiałów odlewanych wytypowano stop spełniający wszystkie warunki dla stopów
wysokoentropowych. Stop ten poddano badaniom własności mechanicznych, co pozwoliło na określenie mechanizmów odkształcenia prowadzących do przerwania ciągłości materiału w próbie zrywania. Oceniono również twardość materiałów w zależności od warunków obróbki cieplnej przesycania i starzenia. Dla badanego stopu zaobserwowano polepszenie własności mechanicznych w funkcji temperatury oraz czasu wygrzewania na co wpływało powstawanie nanowydzieleń fazy y’ w objętości materiału pod wpływem temperatury. Otrzymane wyniki pozwoliły na określenie miejsca stopów wysokoentropowych z układu AlTi-Co-Ni-Fe we współczesnej inżynierii materiałowej. Analiza struktury i mikrostruktury otrzymanych stopów wieloskładnikowych, zarówno tych spełniających założenia definicji HEA jak i nie spełniających, pozwoliła na poszerzenie wiedzy na temat analizowanego pięcioskładnikowego układu pierwiastkowego. Obserwacja podobieństw i różnic pomiędzy materiałami pozwoliła na określenie warunków powstawania wydzieleń. Ponadto wykazano, że możliwe jest otrzymanie stopów wysokoentropowych nie tylko metodą odlewania, ale również metodą klasycznej metalurgii proszków, która w połączeniu z obróbką cieplną może stanowić alternatywną metodę wytwarzania. Wyniki badań wytrzymałościowych, sugerują, że materiały te mogą być zastosowane do pracy w warunkach obniżonej temperatury.
Synthesis and characterising new, high-entropy alloys from the
Al-Ti-Co-Ni-Fe system
High-entropy alloys (HEAs) are composited of at least five main components (from 5 to 35 at.%). Despite possessing a complex chemical composition, the alloys are characterised by simple crystallographic structures, i.e. body centred cubic (BCC) and face centred cubic (FCC), without additional intermetallic phases. The principal of five main alloying components is one of the most important definition of HEAs, as it defines reaching the entropy of mixing (Smix) value exceeding 1,5R (R - gas constant). Apart from the law of high-entropy, multicomponent alloys should fulfil numeral other thermodynamic restrictions, allowing to achieve materials of a simple crystallographic structure that can be determined during the designing stage. Crystal structure can be assume based on the valance electron concentration (VEC) parameter. All components defining HEAs have been explained in detail in the first part of the thesis. Characterising all individual parameters included in the definition of HEAs have allowed to determine the correlation between the thermodynamic parameters and the microstructure and structure of multicomponent alloys from the Al-Ti-Co-Ni-Fe system. After optimising the chemical composition of the multicomponent alloys, the next experimental stage in achieving HEAs from the Al-Ti-Co-Ni-Fe system was using classical powder metallurgy as an alternative method for the arc melting synthesis process. Heat treatment parameters were determined for the produced alloys, allowing to limit the primary porosity occurring during the sintering and annealing stage. The same heat treatment conditions were applied for the cast materials in order to compare the structures and microstructures achieved by both synthesis methods. It was noticed that the cast materials after heat treatment were characterise by a homogenised microstructure and a uniform elemental distribution within the material’s entire volume. Among the cast materials, one alloy was selected that fulfilled all requirements for HEAs. The alloy’s mechanical properties were investigated, allowing to determine the deformation mechanisms leading to the failure of the material during
tensile testing. The material’s hardness was also evaluated, depending on the heat treatment conditions of supersaturation and aging. An improvement in mechanical properties as a function of temperature and heating time were observed for the investigated alloy. This was brought about by the formation of y’ phase nanoprecipitations throughout the material’s volume under the influence of temperature. The achieved results allowed to determine the position of HEAs from the Al-Ti-Co-Ni-Fe system in modem materials science. Microstructural and structural analysis of the achieved multicomponent alloys, both fulfilling and failing the HEA definition, allowed to increase the knowledge on the analysed five-component elemental system. It was possible to determine the conditions for precipitation formation by observing the similarities and differences between the materials. Additionally, it was shown that it is possible to achieve HEAs not only through casting, but also using classical powder metallurgy techniques that, combined with heat treatment, can provide an alternative production method. The results of strength tests suggest that these materials can find application in low temperature working conditions.
