[論文レビュー] Phase separation of metastable CoCrFeNi high entropy alloy at intermediate temperatures

Feng He, Zhijun Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2016

High Entropy Alloys Studies参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、準安定状態のCoCrFeNi高エントロピー合金が中間温度（750 °C、800時間）で相分離を示すことが明らかになった。これにより、組成の分解と格子定数が変化した第二のfcc相が生成された。10 at.%のAl添加は不安定性を促進し、Cr富含なσ相を誘発した。これは、CoCrFeNi HEAの仮定された熱力学的安定性に疑問を呈し、HEA設計の原則を再考させることになった。

ABSTRACT

The CoCrFeNi alloy is widely accepted as an exemplary stable base for high entropy alloys (HEAs). Although various investigations prove it to be stable solid solution, its phase stability is still suspicious. Here, we identified that the CoCrFeNi HEA was thermally metastable at intermediate temperatures, and composition decomposition occurred after annealed at 750oC for 800 hrs. The increased lattice distortion induced by minor addition of Al into the CoCrFeNi base accelerated the composition decomposition and a second fcc phase with a different lattice constant occurred in the long time annealed CoCrFeNiAl0.1 HEA. A Cr-rich σ phase also precipitated from the CoCrFeNiAl0.1 HEA. The Al element can induce the instability of CoCrFeNi HEA. The revealed metastable CoCrFeNi at intermediate temperatures will greatly change the way of HEAs development.

研究の動機と目的

• 中間温度におけるCoCrFeNi高エントロピー合金の熱的安定性を調査すること。
• 広く受け入れられているCoCrFeNi HEAが長時間アニール条件下でも安定であるかどうかを特定すること。
• CoCrFeNiベースのHEAにおけるAl添加が相安定性および分解経路に与える影響を検討すること。
• 準安定HEAにおける相分離を引き起こすメカニズムとその材料設計への影響を同定すること。

提案手法

• 長時間熱的安定性を評価するため、CoCrFeNi HEAを750 °Cで800時間アニールした。
• 相の進化と微細組織を解析するため、X線回折（XRD）および電子線回折（EBSD）を用いた。
• 元素分布と組成変化を測定するため、エネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDS）を実施した。
• XRDピークのシフトと相同定を用いて、格子定数の変化と新相の特定を分析した。
• 固体溶液の安定性へのAlの影響を評価するため、CoCrFeNiとCoCrFeNiAl0.1 HEAの挙動を比較した。
• 格子歪みの影響を、格子定数の変化と相形成の観点から評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CoCrFeNi高エントロピー合金は中間温度で熱力学的に安定であるか？
• RQ2 750 °Cで長時間アニールした後、CoCrFeNi HEAにどのような微細組織的および組成的変化が生じるか？
• RQ3 10 at.%のAl添加は、CoCrFeNi HEAの相安定性にどのように影響するか？
• RQ4 アニール中にどのような新相が生成され、それらの結晶学的および組成的特徴は何か？
• RQ5 格子歪みは、準安定HEAにおける相分離を促進する役割を果たすか？

主な発見

• CoCrFeNi HEAは750 °Cで800時間アニール後に相分離を示し、熱的準安定性を示した。
• 明確な格子定数を有する第二のfcc相が生成され、組成の分解を示唆した。
• 10 at.%のAl添加により格子歪みが著しく増大し、相分解が加速された。
• 長時間アニール後にCoCrFeNiAl0.1 HEAにCr富含なσ相が析出していた。
• 主相であるfcc相の格子定数は、組成のフラクチュエーションと格子応力の影響で変化した。
• 本研究により、CoCrFeNi HEAは中間温度では本質的に安定ではないことが明らかになり、従来の仮定に疑問を呈した。