[論文レビュー] Microstructure and elevated-temperature mechanical properties of refractory AlMo0.5NbTa0.5TiZr High Entropy Alloy fabricated by powder metallurgy

Yuqiao Li, Junho Lee+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2017

High Entropy Alloys Studies参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、アーク溶融法で作製された場合に一般的に見られる微細組織の粗大化および元素のセグリゲーションを克服するため、粉末冶金法を用いて耐火高エントロピー合金（AlMo0.5NbTa0.5TiZr）を開発した。この合金は、微細な組織由来の高強度を示し、298 Kで2466 MPa、1273 Kで964 MPaの優れた圧縮降伏強度を示し、耐高溫性能に優れている。

ABSTRACT

New approaches for the design of alloy systems with multiprincipal elements is recently researched in refractory materials field. However, most research aimed at arc melting process with weakness of coarsening of grains and inhomogeneous microstructure of segregation of elements during the cooling. This study aims to design and fabricate high-entropy alloy with powder metallurgy. In this study, a refractory high entropy alloys with composition near AlMo0.5NbTa0.5TiZr were produced by powder metallurgy. The alloy consists of two body-centered cubic (BCC) phases. One phase was disordered BCC enriched with Mo, Nb and Ta and the other phase was ordered BCC enriched with Al and Zr. The AlMo0.5NbTa0.5TiZr alloy had a density of 7.46g/cm3 and Vickers microhardness of 678HV. Its compressive yield strength was 2466MPa at 298K and 964MPa at 1273K. The properties of the alloy and the beneficial effects from powder metallurgy on the microstructure and properties were outlined.

研究の動機と目的

• 従来のアーク溶融法で作製された耐火高エントロピー合金における微細組織の粗大化および元素のセグリゲーションを解消すること。
• 代替処理法を用いて、耐火高エントロピー合金の高溫機械的特性を向上させること。
• 粉末冶金法で作製されたAlMo0.5NbTa0.5TiZr HEAの微細組織および機械的挙動を調査すること。
• 複雑な耐火HEAにおいて、粉末冶金法が微細で均一な微細組織を実現する利点を評価すること。

提案手法

• アーク溶融法に起因する高い冷却速度とセグリゲーションの問題を回避するため、AlMo0.5NbTa0.5TiZr高エントロピー合金の作製に粉末冶金法を採用した。
• Al、Mo、Nb、Ta、Ti、Zrの元素粉末を混合し、全密度を達成するためホットイソスタティックプレス（HIP）により凝集した。
• X線回折および電子バックストリート回折を用いて相の組成と結晶構造を同定した。
• 走査型電子顕微鏡およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピーを用いて微細組織および元素分布を分析した。
• 室温および1273 Kでバリオンマイクロハードネスおよび圧縮試験を実施し、機械的特性を評価した。
• 完全密度化を確認するため、アキメデスの原理を用いて密度を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粉末冶金法は、アーク溶融法と比較して、耐火AlMo0.5NbTa0.5TiZr高エントロピー合金の微細組織にどのように影響を与えるか？
• RQ2 粉末冶金法で処理されたAlMo0.5NbTa0.5TiZr HEAに存在する相の組成および結晶構造は何か？
• RQ3 この合金の高溫圧縮降伏強度はどの程度であり、従来の処理法と比較してどう異なるか？
• RQ4 粉末冶金法は、この耐火HEA系において、元素のセグリゲーションおよび結晶粒の粗大化をどの程度抑制するか？
• RQ5 高温状態におけるこの高エントロピー合金の微細組織と機械的特性の関係は何か？

主な発見

• AlMo0.5NbTa0.5TiZr高エントロピー合金は、Mo、Nb、Taが豊富な無秩序BCC相と、AlおよびZrが豊富な秩序BCC相からなる二相BCC微細組織を示した。
• 密度は7.46 g/cm³に達し、ホットイソスタティックプレス処理後の理論密度に近い完全密度化が確認された。
• バリオンマイクロハードネスは678 HVに達し、塑性変形に対する高い抵抗性を示した。
• 圧縮降伏強度は298 Kで2466 MPa、1273 Kでも964 MPaに維持され、優れた高溫安定性を示した。
• 粉末冶金法は結晶粒の粗大化および元素のセグリゲーションを効果的に抑制し、通常のアーク溶融法で得られるHEAよりも均一な微細組織を実現した。
• 微細な微細組織と二相BCC構造の併せ技が、高温状態でも優れた機械的性能を発揮する要因となった。