[論文レビュー] Dissolving and Stabilizing Soft WB2 and MoB2 Phases into High-Entropy Borides via Boron-Metals Reactive Sintering to Attain Higher Hardness

Mingde Qin, Joshua Gild+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2019

Advanced materials and composites参考文献 45被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、ボロン-金属反応性スパークプラズマ焼結を用いて、軟らかいWB2およびMoB2相を高エントロピー炭化物（HEB）に完全に溶解させることに成功し、高硬度で密度の高い単相HEBを形成した。主な発見は、より硬い二元炭化物のみを含むHEBと比較して、軟らかい炭化物を含むHEBが顕著に高い硬度を示すことであり、高エントロピー安定化によって予期しない物性向上が実現されたことを示している。

ABSTRACT

Five single-phase WB2- and MoB2-containing high-entropy borides (HEBs) have been made via reactive spark plasma sintering of elemental boron and metals. A large reactive driving force enables the full dissolution of 10-20 mol. % WB2 to form dense, single-phase HEBs, including (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Mo0.2W0.2)B2, (Ti0.2Ta0.2Cr0.2Mo0.2W0.2)B2, (Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2W0.2)B2, and (Zr0.225Hf0.225Ta0.225Mo0.225W0.1)B2; the successful fabrication of such single-phase WB2-containing HEBs has not been reported before. In the processing science, this result serves perhaps the best example demonstrating that the phase formation in high-entropy ceramics can strongly depend on the kinetic route. A scientifically interesting finding is that HEBs containing softer WB2 and/or MoB2 components are significantly harder than (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2 (with harder binary boride components). This exemplifies that high-entropy ceramics can achieve unexpected properties.

研究の動機と目的

• WB2 や MoB2 などの軟らかい二元炭化物に見られる相不安定性と低硬度の課題を、高エントロピー炭化物（HEB）固溶体に統合することで克服すること。
• 反応性焼結が、最大20 mol.% の WB2 または MoB2 が単相HEBに完全に溶解可能かどうかを検討すること。
• より軟らかい炭化物成分を含むHEBの機械的性質の変化を、純粋に硬い二元炭化物からなるHEBと比較して調査すること。
• 高エントロピーセラミックスにおける相形成の動的経路を確立し、処理条件の果たす役割を強調すること。

提案手法

• 元素状ボロンと遷移金属（Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Cr, Mo, W）からHEBを合成するために、反応性スパークプラズマ焼結（SPS）が用いられた。
• 炭化物生成反応の発熱的駆動力により、10–20 mol.% の WB2 または MoB2 がHEB格子内に完全に溶解した。
• X線回折（XRD）および電子バックスキャッタードディフラクション（EBSD）を用いて、相純度および単相形成が確認された。
• ビッカース硬さ測定により硬さを測定し、異なるHEB組成間での結果を比較した。
• 熱力学的平衡ではなく動的制御を優位にする処理経路が設計され、不安定な固溶体の安定化が可能になった。
• 組成を体系的に変化させ、(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Mo0.2W0.2)B2 および (Zr0.225Hf0.225Ta0.225Mo0.225W0.1)B2 を含む5種類の異なるHEBを含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反応性焼結を用いて、軟らかいWB2およびMoB2相を高エントロピー炭化物固溶体に完全に溶解させることができるか？
• RQ2 反応性焼結条件下で、HEB系におけるWB2およびMoB2の最大固溶度限界は何か？
• RQ3 より軟らかい炭化物成分を含むHEBは、純粋に硬い二元炭化物からなるHEBと比較して、より高い硬さを示すか？
• RQ4 反応性焼結の動的経路は、高エントロピーセラミックスにおける相形成および安定性にどのように影響するか？
• RQ5 従来の硬さの傾向とは反して、軟らかい成分を含めることでHEBの機械的性質が予期せず向上するか？

主な発見

• 単相HEBが5つ成功裏に合成され、(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Mo0.2W0.2)B2、(Ti0.2Ta0.2Cr0.2Mo0.2W0.2)B2、(Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2W0.2)B2、および (Zr0.225Hf0.225Ta0.225Mo0.225W0.1)B2 が含まれ、最大20 mol.% のWB2またはMoB2が溶解した。
• WB2含有HEBの単相焼結が初めて達成され、通常不安定な軟らかい相を安定化させる新しいルートが示された。
• 軟らかいWB2および/またはMoB2成分を含むHEBは、純粋に硬い二元炭化物からなる (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2 より顕著に高い硬さを示した。
• 相形成が熱力学的安定性だけでなく、動的経路に強く依存していることが明らかになった。
• 本研究は、高エントロピー安定化によって物性が向上する明確な例を示しており、構成相の硬さに基づく従来の予想を覆すものである。
• 反応性焼結により反応の大きな駆動力が得られ、完全な溶解と高密度な微細組織の形成が可能になった。