[논문 리뷰] Microstructure and elevated-temperature mechanical properties of refractory AlMo0.5NbTa0.5TiZr High Entropy Alloy fabricated by powder metallurgy

Yuqiao Li, Junho Lee외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 31.

High Entropy Alloys Studies참고 문헌 7인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 전통적인 아크 용융 기반의 고온합금에서 흔히 발생하는 미세구조의 군집화와 원소 분리 문제를 해결하기 위해 분말 압연 공정을 통해 내열 고엔트로피 합금 (AlMo0.5NbTa0.5TiZr)을 개발하였다. 이 합금은 이중 BCC 미세구조를 보이며, 298 K에서 압축 yielding 강도가 2466 MPa이고 1273 K에서 964 MPa로 유지되어 고온에서 뛰어난 기계적 성능을 나타내었으며, 분말 공정에 의한 미세구조의 정련 덕분이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 아크 용융 공정에서 발생하는 미세구조의 군집화와 원소 분리 문제를 해결하기 위해.
• 기존 공정 방식을 대체하여 고온에서 향상된 기계적 성질을 갖는 내열 고엔트로피 합금을 개발하기 위해.
• 분말 압연 공정으로 제조한 AlMo0.5NbTa0.5TiZr HEA의 미세구조 및 기계적 거동을 조사하기 위해.
• 복잡한 내열 HEA에서 높은 미세구조 정련과 균일성 확보에 분말 압연 공정이 제공하는 이점을 평가하기 위해.

제안 방법

• 고온합금의 고온에서의 빠른 냉각 속도와 분리 문제를 피하기 위해 분말 압연 공정을 활용하여 AlMo0.5NbTa0.5TiZr 고엔트로피 합금을 제조하였다.
• Al, Mo, Nb, Ta, Ti, Zr의 원소 분말을 혼합하여 고온 고압성 압축성 압축성 압축성 (HIP) 공정을 통해 밀도를 극대화하였다.
• X선 회절 및 전자 반사 회절을 이용하여 상 조성과 결정 구조를 확인하였다.
• 주사 전자 현미경 및 에너지 분산형 X선 분석을 활용하여 미세구조와 원소 분포를 분석하였다.
• Vickers 미세경도 및 압축 시험을 실온과 1273 K에서 실시하여 기계적 성질을 평가하였다.
• 밀도는 아르키메데스 원리를 이용해 측정하여 완전 밀도화를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분말 압연 공정은 아크 용융 대비 내열 AlMo0.5NbTa0.5TiZr 고엔트로피 합금의 미세구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 분말 압연 공정으로 제조된 AlMo0.5NbTa0.5TiZr HEA에 존재하는 상 조성과 결정 구조는 무엇인가?
• RQ3 이 합금의 고온에서의 압축 항복강도는 얼마이며, 기존 공정 방식과 비교해 볼 때 어떤가?
• RQ4 분말 압연 공정은 이 내열 HEA 체계에서 원소 분리와 결정립 군집화를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ5 고온에서 이 고엔트로피 합금의 미세구조와 기계적 성질 간의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• AlMo0.5NbTa0.5TiZr 고엔트로피 합금은 이중 체심입방형(BCC) 미세구조를 보였으며, Mo, Nb, Ta가 농축된 무질서한 BCC 상과 Al, Zr가 농축된 정렬된 BCC 상으로 구성되어 있었다.
• 합금의 밀도는 7.46 g/cm³로 측정되어 고온 고압성 압축성 공정 후 이론 밀도에 근접한 밀도화가 이루어졌음을 나타내었다.
• Vickers 미세경도는 678 HV에 도달하여 소성 변형에 대한 높은 저항성을 나타내었다.
• 압축 항복강도는 298 K에서 2466 MPa였고, 1273 K에서도 964 MPa로 유지되어 뛰어난 고온 안정성을 입증하였다.
• 분말 압연 공정은 결정립 군집화와 원소 분리를 효과적으로 억제하여 아크 용융 합금에서 흔히 관찰되는 것보다 더 균일한 미세구조를 확보하였다.
• 세밀한 미세구조와 이중 상 BCC 구조의 조합이 고온에서 뛰어난 기계적 성능을 이끌어내는 데 기여하였다.