[論文レビュー] Ultra strong and ductile eutectic high entropy alloy fabricated by selective laser melting

Fan Yang, Lilin Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

High Entropy Alloys Studies被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、選択的レーザー溶融（SLM）を用いて、初のクラックフリーな超強度・延性を有する共晶ハイエントロピー合金（EHEA）の作製に成功し、-196 °C から 760 °C の広い温度範囲で優れた機械的特性を達成した。超微細な共晶層状構造（150–200 nm）と層状コロニー構造（2–6 μm）の組み合わせにより、室温で引張強さが1400 MPaを超え、延性が20%以上に達し、従来のプロセシング手法を著しく上回った性能を示した。

ABSTRACT

With important application prospects, eutectic high entropy alloys have received extensive attention for their excellent strength and ductility in a large temperature range. The excellent casting characteristics of eutectic high entropy alloys make it possible to achieve well manufacturability of selective laser melting. For the first time, we have achieved crack-free eutectic high entropy alloy fabricated by selective laser melting, which has excellent mechanical properties in a wide temperature range of -196 degrees Celsius~760 degrees Celsius due to ultra-fine eutectic lamellar spacing of 150 ~ 200nm and lamellar colony of 2 ~ 6 μm. Specifically, the room temperature tensile strength exceeds 1400MPa and the elongation is more than 20%, significantly improved compared with those manufactured by other techniques with lower cooling rate.

研究の動機と目的

• 選択的レーザー溶融（SLM）を用いて、製造性を向上させるためのクラックフリーな共晶ハイエントロピー合金（EHEA）の開発。
• 共晶ハイエントロピー合金（EHEA）の機械的特性を、-196 °C から 760 °C の広い温度範囲で優れたものにすること。
• SLMで作製されたEHEAに内在する残留応力とクラックの問題を、微細組織の最適化によって克服すること。
• 超微細な共晶層状構造と制御された層状コロニー形態が、優れた強度と延性を実現できることを示すこと。

提案手法

• レーザー出力、スキャン速度、ハッチ間隔を精密に制御することで、共晶ハイエントロピー合金の選択的レーザー溶融（SLM）による作製を実施した。
• 共晶凝固を促進し、冷却速度勾配を低くすることで、微細な組織制御を可能にする合金組成を設計した。
• 電子線回折（EBSD）および透過電子顕微鏡（TEM）を用いた微細組織の評価により、層状間隔とコロニーサイズを定量した。
• 機械的特性の評価を目的として、-196 °C から 760 °C の広い温度範囲で引張試験を実施した。
• SLM中の急速凝固と制御された核生成により、超微細な共晶層状構造（150–200 nm）と層状コロニー（2–6 μm）の形成が達成されたとされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高い熱勾配と残留応力があるにもかかわらず、選択的レーザー溶融（SLM）を用いてクラックフリーな共晶ハイエントロピー合金を効果的に作製できるか？
• RQ2 強度と延性の両立に重要な微細組織的特徴（例：層状間隔、コロニーサイズ）は何か？
• RQ3 SLMで作製されたEHEAの微細組織が、広い温度範囲における機械的特性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 従来のプロセシング手法に比べ、超微細な共晶構造が強度と延性をどの程度向上させるか？

主な発見

• SLMで作製された共晶ハイエントロピー合金は、室温で引張強さが1400 MPaを超えた。これは、従来のプロセシング手法で報告された値を著しく上回った。
• 室温での延性が20%を超えた。これは、高強度合金としては非常に優れた延性を示している。
• 150–200 nmという超微細な共晶層状間隔が達成され、微細組織の微細化による強度向上に不可欠であるとされた。
• 層状コロニーのサイズは2–6 μmの範囲にあり、バランスの取れた強度・延性性能に寄与した。
• -196 °C から 760 °C の広い温度範囲で安定した機械的特性を示し、優れた熱安定性を示した。
• クラックフリーな作製に成功し、複雑な共晶相を有するハイエントロピー合金のSLMにおいて、主な課題であった問題を克服した。