[논문 리뷰] Phase separation of metastable CoCrFeNi high entropy alloy at intermediate temperatures

Feng He, Zhijun Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 12.

High Entropy Alloys Studies참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 열역학적으로 안정하지 않은 CoCrFeNi 고엔트로피 합금이 중간 온도에서(800시간 동안 750 °C) 상 분리 현상을 겪으며 조성 분해와 함께 라티스 상수가 변화한 두 번째 fcc 상이 형성됨을 밝혀냈다. 10 at.% 알루미늄의 첨가로 안정성이 악화되어 크롬 농축된 σ 상이 생성되며, CoCrFeNi HEA의 열역학적 안정성에 대한 기존의 가정을 도전하고 HEA 설계 원칙을 재정립한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 중간 온도에서 CoCrFeNi 고엔트로피 합금의 열적 안정성을 조사하기 위해.
• 넓이 있게 받아들여진 CoCrFeNi HEA가 장시간 열처리 조건에서 안정한지 확인하기 위해.
• CoCrFeNi 기반 HEA에서 알루미늄 첨가가 상 안정성과 분해 경로에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 열역학적으로 불안정한 HEA에서 상 분리를 이끄는 메커니즘과 재료 설계에 대한 영향을 규명하기 위해.

제안 방법

• 장기적 열적 안정성을 평가하기 위해 CoCrFeNi HEA를 750 °C에서 800시간 동안 열처리하기 위해.
• 상의 진화와 미세구조 분석을 위해 X선 회절(XRD) 및 전자 반사 회절(EBSD)을 사용하기 위해.
• 요소 분포와 조성 변화 측정을 위해 에너지 분산형 X선 분석(EDS)을 수행하기 위해.
• XRD 피크 이동과 상 식별을 통해 라티스 상수의 변화와 새로운 상의 규명을 위해.
• 고체용액의 안정성에 대한 알루미늄의 영향을 평가하기 위해 CoCrFeNi와 CoCrFeNiAl0.1 HEA의 거동를 비교하기 위해.
• 라티스 변형 효과를 라티스 상수 변화와 상 형성의 변화를 통해 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CoCrFeNi 고엔트로피 합금은 중간 온도에서 열역학적으로 안정한가?
• RQ2 CoCrFeNi HEA가 750 °C에서 장시간 열처리 후에 미세구조적 및 조성적 변화가 발생하는가?
• RQ3 10 at.% 알루미늄 첨가가 CoCrFeNi HEA의 상 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 열처리 중에 형성된 새로운 상들은 무엇이며, 그 결정학적 및 조성적 특성은 무엇인가?
• RQ5 라티스 변형은 열역학적으로 불안정한 HEA에서 상 분리를 촉진하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• CoCrFeNi HEA는 750 °C에서 800시간 열처리 후 상 분리를 겪었으며, 이는 열적 준안정성을 시사한다.
• 다른 라티스 상수를 가지는 두 번째 fcc 상이 형성되어 조성 분해를 시사한다.
• 10 at.% 알루미늄 첨가로 라티스 변형이著しく 증가하고 상 분해가 가속화되었다.
• 장시간 열처리 후 CoCrFeNiAl0.1 HEA에 크롬 농축된 σ 상이 침전되었다.
• 주요 fcc 상의 라티스 상수가 조성 변동과 라티스 응력으로 인해 변화하였다.
• 본 연구는 CoCrFeNi HEA가 중간 온도에서 본질적으로 안정하지 않음을 밝혀내었으며, 이는 이전의 가정을 도전한다.