[논문 리뷰] Dissolving and Stabilizing Soft WB2 and MoB2 Phases into High-Entropy Borides via Boron-Metals Reactive Sintering to Attain Higher Hardness

Mingde Qin, Joshua Gild외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 26.

Advanced materials and composites참고 문헌 45인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 반응성 스파크 플라즈마 압축을 통해 연한 WB2 및 MoB2 상을 고엔트로피 카보나이드(HED)에 완전히 용해시켜 밀도가 높고 단일 상인 HEB를 형성함으로써 성공적으로 하드니스를 향상시켰다. 주요 발견은 더 연한 카보나이드를 포함하는 HEB가 단지 딱딱한 이이온 카보나이드만을 포함하는 HEB보다 훨씬 더 높은 경도를 보인다는 점으로, 고엔트로피 안정화를 통해 놀라운 물성 향상이 가능하다는 것을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• WB2 및 MoB2와 같은 연한 이이온 카보나이드에서의 상 불안정성과 낮은 경도 문제를 해결하기 위해 이러한 상들을 고엔트로피 카보나이드(HEB) 고체용액에 통합하고자 한다.
• 반응성 압축이 최대 20 mol.%의 WB2 또는 MoB2를 단일 상 HEB에 완전히 용해시킬 수 있는지 탐구하고자 한다.
• 단지 딱딱한 이이온 카보나이드만을 포함하는 HEB와 비교하여 연한 카보나이드 성분을 포함하는 HEB의 기계적 성질 변화를 조사하고자 한다.
• 고엔트로피 세라믹에서 상 형성의 동역학적 경로를 수립하고자 하며, 가공 조건의 역할을 강조하고자 한다.

제안 방법

• 요소 보론과 전이 금속(Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Cr, Mo, W)으로부터 HEB를 합성하기 위해 반응성 스파크 플라즈마 압축(SPS)을 사용하였다.
• 카보나이드 형성 반응의 발열성 반응 추진력 덕분에 10–20 mol.%의 WB2 또는 MoB2가 HEB 격자에 완전히 용해되었다.
• X선 회절(XRD) 및 전자 반사 회절(EBSD)을 통해 상 순도와 단일 상 형성을 확인하였다.
• 경도는 비커스 심도 측정법을 사용하여 측정하였으며, 다양한 HEB 조성 간의 결과를 비교하였다.
• 가공 경로는 열역학적 평형이 아닌 동역학적 제어를 우선시하도록 설계되어, 불안정한 고체용액의 안정화를 가능하게 하였다.
• 다양한 조성을 체계적으로 변화시켜 다섯 가지의 고유한 HEB를 포함한 조성을 도입하였다. 이는 (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Mo0.2W0.2)B2 및 (Zr0.225Hf0.225Ta0.225Mo0.225W0.1)B2를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반응성 압축을 통해 연한 WB2 및 MoB2 상을 고엔트로피 카보나이드 고체용액에 완전히 용해시킬 수 있는가?
• RQ2 반응성 압축 조건 하에서 고엔트로피 카보나이드 시스템에서 WB2 및 MoB2의 최대 용해도 한계는 얼마인가?
• RQ3 연한 카보나이드 성분을 포함하는 HEB는 단지 딱딱한 이이온 카보나이드만을 포함하는 HEB보다 더 높은 경도를 보이는가?
• RQ4 반응성 압축의 동역학적 경로는 고엔트로피 세라믹에서 상 형성과 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 전통적인 경도 경향에 반해, 더 연한 성분을 포함함으로써 HEB의 기계적 성질이 놀라게 향상될 수 있는가?

주요 결과

• 단일 상 HEB 다섯 종류가 성공적으로 합성되었으며, 이는 (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Mo0.2W0.2)B2, (Ti0.2Ta0.2Cr0.2Mo0.2W0.2)B2, (Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2W0.2)B2 및 (Zr0.225Hf0.225Ta0.225Mo0.225W0.1)B2를 포함하며, 최대 20 mol.%의 WB2 또는 MoB2가 용해되었다.
• WB2 함유 HEB의 단일 상 제조는 처음으로 이룩되었으며, 이는 일반적으로 불안정한 연한 상을 안정화시키는 새로운 길을 제시한다.
• 연한 WB2 및/또는 MoB2 성분을 포함하는 HEB는 단지 딱딱한 이이온 카보나이드만을 포함하는 (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2보다 훨씬 더 높은 경도를 보였다.
• 결과는 고엔트로피 세라믹에서 상 형성이 열역학적 안정성뿐 아니라 동역학적 경로에 의해도 크게 영향을 받는다는 점을 강조한다.
• 이 연구는 구성 상의 경도에 기반한 전통적 기대를 뛰어넘어 고엔트로피 안정화를 통해 물성 향상이 가능하다는 설득력 있는 사례를 제공한다.
• 반응성 압축은 반응에 큰 추진력을 제공하여 완전한 용해와 고밀도 미세구조 형성을 가능하게 하였다.