સિરામિક-પ્રબલિત HEA-આધારિત સંયોજનો યાંત્રિક ગુણધર્મોનું ઉત્તમ સંયોજન દર્શાવે છે.

CoCrFeNi એ એક સારી રીતે અભ્યાસ કરેલ ફેસ-સેન્ટર્ડ ક્યુબિક (fcc) હાઇ-એન્ટ્રોપી એલોય (HEA) છે જેમાં ઉત્તમ નમ્રતા પરંતુ મર્યાદિત તાકાત છે. આ અભ્યાસનું ધ્યાન આર્ક મેલ્ટિંગ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને SIC ની વિવિધ માત્રા ઉમેરીને આવા HEAs ની તાકાત અને નમ્રતાના સંતુલનને સુધારવા પર છે. તે સ્થાપિત કરવામાં આવ્યું છે કે બેઝ HEA માં ક્રોમિયમની હાજરી ગલન દરમિયાન SiC ના વિઘટનનું કારણ બને છે. આમ, ક્રોમિયમ સાથે મુક્ત કાર્બનની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ક્રોમિયમ કાર્બાઇડની પરિસ્થિતિમાં રચના તરફ દોરી જાય છે, જ્યારે ફ્રી સિલિકોન બેઝ HEA માં દ્રાવણમાં રહે છે અને/અથવા સિલિસાઇડ્સ બનાવવા માટે આધાર HEA બનાવે છે તે તત્વો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે. જેમ જેમ SiC સામગ્રી વધે છે તેમ, માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર તબક્કા નીચેના ક્રમમાં બદલાય છે: fcc → fcc + eutectic → fcc + ક્રોમિયમ કાર્બાઇડ ફ્લેક્સ → fcc + ક્રોમિયમ કાર્બાઇડ ફ્લેક્સ + સિલિસાઇડ → fcc + ક્રોમિયમ કાર્બાઇડ ફ્લેક્સ + સિલિસાઇડ + ગ્રેફાઇટ બોલ્સ / ગ્રેફાઇટ ફ્લેક્સ. પરંપરાગત એલોય અને ઉચ્ચ એન્ટ્રોપી એલોયની તુલનામાં પરિણામી સંયોજનો યાંત્રિક ગુણધર્મોની ખૂબ જ વિશાળ શ્રેણી દર્શાવે છે (60% વિસ્તરણ પર 277 MPa થી 6% વિસ્તરણ પર 2522 MPa સુધીની ઉપજ શક્તિ) વિકસિત કેટલાક ઉચ્ચ એન્ટ્રોપી સંયોજનો યાંત્રિક ગુણધર્મો (ઉપજ શક્તિ 1200 MPa, વિસ્તરણ 37%) નું ઉત્કૃષ્ટ સંયોજન દર્શાવે છે અને ઉપજ તણાવ-વિસ્તરણ રેખાકૃતિ પર અગાઉ અપ્રાપ્ય વિસ્તારો ધરાવે છે. નોંધપાત્ર વિસ્તરણ ઉપરાંત, HEA કમ્પોઝિટની કઠિનતા અને ઉપજની શક્તિ બલ્ક મેટાલિક ચશ્મા જેવી જ શ્રેણીમાં છે. તેથી, એવું માનવામાં આવે છે કે ઉચ્ચ-એન્ટ્રોપી સંયોજનોનો વિકાસ અદ્યતન માળખાકીય કાર્યક્રમો માટે યાંત્રિક ગુણધર્મોના ઉત્તમ સંયોજનને પ્રાપ્ત કરવામાં મદદ કરી શકે છે.
ધાતુવિજ્ઞાન1,2માં ઉચ્ચ એન્ટ્રોપી એલોયનો વિકાસ એ આશાસ્પદ નવો ખ્યાલ છે. ઉચ્ચ એન્ટ્રોપી એલોય (HEA) એ સંખ્યાબંધ કેસોમાં ભૌતિક અને યાંત્રિક ગુણધર્મોનું ઉત્તમ સંયોજન દર્શાવ્યું છે, જેમાં ઉચ્ચ થર્મલ સ્થિરતા 3,4 સુપરપ્લાસ્ટિક વિસ્તરણ5,6 થાક પ્રતિકાર7,8 કાટ પ્રતિકાર9,10,11, ઉત્તમ વસ્ત્રો પ્રતિકાર12,13,14નો સમાવેશ થાય છે. 15 અને ટ્રાઇબોલોજીકલ પ્રોપર્ટીઝ15,16,17 પણ ઉચ્ચ તાપમાન18,19,20,21,22 અને નીચા તાપમાને યાંત્રિક ગુણધર્મો23,24,25. HEA માં યાંત્રિક ગુણધર્મોનું ઉત્તમ સંયોજન સામાન્ય રીતે ચાર મુખ્ય અસરોને આભારી છે, એટલે કે ઉચ્ચ રૂપરેખાંકન એન્ટ્રોપી26, મજબૂત જાળી વિકૃતિ27, ધીમી પ્રસરણ28 અને કોકટેલ અસર29. HEA ને સામાન્ય રીતે FCC, BCC અને HCP પ્રકારો તરીકે વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે. FCC HEA માં સામાન્ય રીતે Co, Cr, Fe, Ni અને Mn જેવા સંક્રમણ તત્વો હોય છે અને તે ઉત્તમ નમ્રતા દર્શાવે છે (નીચા તાપમાન25 પર પણ) પરંતુ ઓછી શક્તિ દર્શાવે છે. BCC HEA સામાન્ય રીતે W, Mo, Nb, Ta, Ti અને V જેવા ઉચ્ચ ઘનતા તત્વોથી બનેલું હોય છે અને તે ખૂબ ઊંચી શક્તિ ધરાવે છે પરંતુ ઓછી નમ્રતા અને ઓછી ચોક્કસ તાકાત ધરાવે છે30.
યાંત્રિક ગુણધર્મોનું શ્રેષ્ઠ સંયોજન મેળવવા માટે મશીનિંગ, થર્મોમિકેનિકલ પ્રોસેસિંગ અને તત્વોના ઉમેરા પર આધારિત HEA ના માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરલ ફેરફારની તપાસ કરવામાં આવી છે. CoCrFeMnNi FCC HEA હાઈ-પ્રેશર ટોર્સિયન દ્વારા ગંભીર પ્લાસ્ટિક વિકૃતિને આધિન છે, જે કઠિનતા (520 HV) અને શક્તિ (1950 MPa) માં નોંધપાત્ર વધારો તરફ દોરી જાય છે, પરંતુ નેનોક્રિસ્ટલાઇન માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર (~50 nm) નો વિકાસ એલોયને બરડ બનાવે છે. . એવું જાણવા મળ્યું છે કે CoCrFeMnNi HEAs માં ટ્વીનિંગ ડક્ટિલિટી (TWIP) અને ટ્રાન્સફોર્મેશન ઇન્ડ્યુસ્ડ પ્લાસ્ટિસિટી (TRIP) નો સમાવેશ કરવાથી સારી કામની કઠિનતા પ્રાપ્ત થાય છે જેના પરિણામે ઉચ્ચ તન્યતામાં પરિણમે છે, જોકે વાસ્તવિક તાણ શક્તિ મૂલ્યોના ભોગે. નીચે (1124 MPa) 32. CoCrFeMnNi HEA માં શૉટ પીનિંગનો ઉપયોગ કરીને સ્તરવાળી માઈક્રોસ્ટ્રક્ચર (પાતળા વિકૃત સ્તર અને અવિકૃત કોરનો સમાવેશ થાય છે) ની રચનાને પરિણામે તાકાતમાં વધારો થયો, પરંતુ આ સુધારો લગભગ 700 MPa33 સુધી મર્યાદિત હતો. તાકાત અને નમ્રતાના શ્રેષ્ઠ સંયોજન સાથે સામગ્રીની શોધમાં, બિન-આઇસોએટોમિક તત્વોના ઉમેરાનો ઉપયોગ કરીને મલ્ટિફેઝ HEAs અને eutectic HEA ના વિકાસની પણ તપાસ કરવામાં આવી છે34,35,36,37,38,39,40,41. ખરેખર, એવું જાણવા મળ્યું છે કે યુટેક્ટિક ઉચ્ચ-એન્ટ્રોપી એલોયમાં સખત અને નરમ તબક્કાઓનું ઝીણવટપૂર્વકનું વિતરણ મજબૂતાઈ અને નમ્રતા 35,38,42,43નું પ્રમાણમાં વધુ સારું સંયોજન તરફ દોરી શકે છે.
CoCrFeNi સિસ્ટમ એ વ્યાપકપણે અભ્યાસ કરાયેલ સિંગલ-ફેઝ FCC હાઇ-એન્ટ્રોપી એલોય છે. આ સિસ્ટમ નીચા અને ઊંચા બંને તાપમાને ઝડપી કામ સખ્તાઇના ગુણો44 અને ઉત્તમ નમ્રતા 45,46 દર્શાવે છે. તેની પ્રમાણમાં ઓછી શક્તિ (~300 MPa)47,48 ને સુધારવા માટે વિવિધ પ્રયાસો કરવામાં આવ્યા છે જેમાં અનાજ શુદ્ધિકરણ25, વિજાતીય માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર49, વરસાદ 50,51,52 અને ટ્રાન્સફોર્મેશન-પ્રેરિત પ્લાસ્ટિસિટી (TRIP)53નો સમાવેશ થાય છે. ગંભીર પરિસ્થિતિઓમાં કોલ્ડ ડ્રોઇંગ દ્વારા કાસ્ટ ફેસ-કેન્દ્રિત ક્યુબિક HEA CoCrFeNi નું અનાજ શુદ્ધિકરણ લગભગ 300 MPa47.48 થી 1.2 GPa25 સુધીની શક્તિમાં વધારો કરે છે, પરંતુ 60% થી વધુ 12.6% થી વધુની નરમતાના નુકશાનને ઘટાડે છે. CoCrFeNi ના HEA માં Al ઉમેરવાથી વિજાતીય માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરની રચના થઈ, જેણે તેની ઉપજ શક્તિ 786 MPa અને તેની સંબંધિત વિસ્તરણ લગભગ 22% 49 સુધી વધારી. CoCrFeNi HEA ને Ti અને Al સાથે અવક્ષેપ બનાવવા માટે ઉમેરવામાં આવ્યું હતું, જેનાથી અવક્ષેપ મજબૂત બને છે, તેની ઉપજની શક્તિ 645 MPa અને લંબાઇને 39%51 સુધી વધે છે. TRIP મિકેનિઝમ (ચહેરા-કેન્દ્રિત ક્યુબિક → હેક્ઝાહેડ્રલ માર્ટેન્સિટીક ટ્રાન્સફોર્મેશન) અને ટ્વીનિંગથી CoCrFeNi HEA ની તાણ શક્તિ વધીને 841 MPa થઈ અને વિરામ વખતે વિસ્તરણ 76%53 થઈ ગયું.
ઉચ્ચ એન્ટ્રોપી કમ્પોઝીટ વિકસાવવા માટે HEA ફેસ સેન્ટર્ડ ક્યુબિક મેટ્રિક્સમાં સિરામિક રિઇન્ફોર્સમેન્ટ ઉમેરવાનો પ્રયાસ પણ કરવામાં આવ્યો છે જે તાકાત અને નમ્રતાના વધુ સારા સંયોજનને પ્રદર્શિત કરી શકે છે. વેક્યુમ આર્ક મેલ્ટિંગ 44, મિકેનિકલ એલોયિંગ 45,46,47,48,52,53, સ્પાર્ક પ્લાઝ્મા સિન્ટરિંગ 46,51,52, વેક્યુમ હોટ પ્રેસિંગ45, હોટ આઇસોસ્ટેટિક પ્રેસિંગ દ્વારા પ્રક્રિયા કરવામાં આવી છે 50. WC44, 45, 46, Al2O347, SiC48, TiC43, 49, TiN50 અને Y2O351 જેવા કાર્બાઇડ્સ, ઓક્સાઇડ્સ અને નાઇટ્રાઇડ્સનો ઉપયોગ HEA સંયોજનોના વિકાસમાં સિરામિક મજબૂતીકરણ તરીકે કરવામાં આવ્યો છે. મજબૂત અને ટકાઉ HEA સંયુક્ત ડિઝાઇન અને વિકાસ કરતી વખતે યોગ્ય HEA મેટ્રિક્સ અને સિરામિક પસંદ કરવું ખાસ કરીને મહત્વપૂર્ણ છે. આ કાર્યમાં, CoCrFeNi ને મેટ્રિક્સ સામગ્રી તરીકે પસંદ કરવામાં આવ્યું હતું. CoCrFeNi HEA માં SiC ની વિવિધ માત્રા ઉમેરવામાં આવી હતી અને માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર, તબક્કાની રચના અને યાંત્રિક ગુણધર્મો પર તેમની અસરનો અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો હતો.
પ્રાથમિક કણોના સ્વરૂપમાં ઉચ્ચ-શુદ્ધતા ધરાવતી ધાતુઓ Co, Cr, Fe, અને Ni (99.95 wt %) અને SiC પાવડર (શુદ્ધતા 99%, કદ -400 મેશ)નો ઉપયોગ HEA કમ્પોઝીટના નિર્માણ માટે કાચા માલ તરીકે થતો હતો. CoCrFeNi HEA ની આઇસોએટોમિક રચનાને સૌપ્રથમ ગોળાર્ધના પાણી-ઠંડા કોપર મોલ્ડમાં મૂકવામાં આવી હતી, અને પછી ચેમ્બરને 3·10-5 mbar પર ખાલી કરવામાં આવી હતી. બિન-ઉપભોજ્ય ટંગસ્ટન ઇલેક્ટ્રોડ સાથે ચાપ ગલન માટે જરૂરી શૂન્યાવકાશ હાંસલ કરવા માટે ઉચ્ચ શુદ્ધતા આર્ગોન ગેસ રજૂ કરવામાં આવે છે. સારી એકરૂપતા સુનિશ્ચિત કરવા માટે પરિણામી ઇંગોટ્સ ઊંધી અને પાંચ વખત રિમેલ્ટ કરવામાં આવે છે. પરિણામી ઇક્વિએટોમિક CoCrFeNi બટનોમાં ચોક્કસ માત્રામાં SiC ઉમેરીને વિવિધ કમ્પોઝિશનના ઉચ્ચ-એન્ટ્રોપી સંયોજનો તૈયાર કરવામાં આવ્યા હતા, જે દરેક કેસમાં પાંચ-ગણા વ્યુત્ક્રમ અને રિમેલ્ટિંગ દ્વારા ફરીથી એકરૂપ થયા હતા. પરિણામી સંયુક્તમાંથી મોલ્ડેડ બટનને વધુ પરીક્ષણ અને લાક્ષણિકતા માટે EDM નો ઉપયોગ કરીને કાપવામાં આવ્યું હતું. માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરલ અભ્યાસ માટેના નમૂનાઓ પ્રમાણભૂત મેટાલોગ્રાફિક પદ્ધતિઓ અનુસાર તૈયાર કરવામાં આવ્યા હતા. પ્રથમ, જથ્થાત્મક તબક્કાના વિશ્લેષણ માટે સોફ્ટવેર લેઇકા ઇમેજ એનાલિસિસ (LAS ફેઝ એક્સપર્ટ) સાથે હળવા માઇક્રોસ્કોપ (Leica Microscope DM6M) નો ઉપયોગ કરીને નમૂનાઓની તપાસ કરવામાં આવી હતી. તબક્કા વિશ્લેષણ માટે લગભગ 27,000 µm2 ના કુલ ક્ષેત્રફળ સાથે વિવિધ વિસ્તારોમાં લેવામાં આવેલી ત્રણ છબીઓ પસંદ કરવામાં આવી હતી. રાસાયણિક રચના વિશ્લેષણ અને તત્વ વિતરણ વિશ્લેષણ સહિત વધુ વિગતવાર માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરલ અભ્યાસો, એનર્જી ડિસ્પર્સિવ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (EDS) વિશ્લેષણ સિસ્ટમથી સજ્જ સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ (JEOL JSM-6490LA) પર હાથ ધરવામાં આવ્યા હતા. 0.04° ના કદના કદ સાથે CuKα સ્ત્રોતનો ઉપયોગ કરીને એક્સ-રે વિવર્તન પ્રણાલી (બ્રુકર ડી2 ફેઝ શિફ્ટર) નો ઉપયોગ કરીને HEA સંયુક્તના સ્ફટિક બંધારણની લાક્ષણિકતા કરવામાં આવી હતી. વિકર્સ માઈક્રોહાર્ડનેસ ટેસ્ટ અને કમ્પ્રેશન ટેસ્ટનો ઉપયોગ કરીને HEA કંપોઝીટ્સના યાંત્રિક ગુણધર્મો પર માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરલ ફેરફારોની અસરનો અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો હતો. કઠિનતા પરીક્ષણ માટે, નમૂના દીઠ ઓછામાં ઓછા 10 ઇન્ડેન્ટેશનનો ઉપયોગ કરીને 15 સે માટે 500 N નો લોડ લાગુ કરવામાં આવે છે. ઓરડાના તાપમાને HEA કમ્પોઝીટના કમ્પ્રેશન પરીક્ષણો લંબચોરસ નમુનાઓ (7 mm × 3 mm × 3 mm) પર Shimadzu 50KN યુનિવર્સલ ટેસ્ટિંગ મશીન (UTM) પર 0.001/s ના પ્રારંભિક તાણ દરે હાથ ધરવામાં આવ્યા હતા.
ઉચ્ચ એન્ટ્રોપી કમ્પોઝીટ, જેને પછીથી S-1 થી S-6 નમૂના તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, તે CoCrFeNi મેટ્રિક્સમાં 3%, 6%, 9%, 12%, 15% અને 17% SiC (બધા વજન દ્વારા%) ઉમેરીને તૈયાર કરવામાં આવ્યા હતા. . અનુક્રમે સંદર્ભ નમૂના કે જેમાં કોઈ SiC ઉમેરવામાં આવ્યું ન હતું તે પછીથી નમૂના S-0 તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. વિકસિત HEA સંયોજનોના ઓપ્ટિકલ માઇક્રોગ્રાફ્સ ફિગમાં બતાવવામાં આવ્યા છે. 1, જ્યાં, વિવિધ ઉમેરણોના ઉમેરાને કારણે, CoCrFeNi HEA નું સિંગલ-ફેઝ માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર વિવિધ આકારશાસ્ત્ર, કદ અને વિતરણ સાથે ઘણા તબક્કાઓ ધરાવતા માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરમાં રૂપાંતરિત થયું હતું. રચનામાં SiC ની માત્રા. LAS ફેઝ એક્સપર્ટ સૉફ્ટવેરનો ઉપયોગ કરીને ઇમેજ પૃથ્થકરણમાંથી દરેક તબક્કાની રકમ નક્કી કરવામાં આવી હતી. આકૃતિ 1 (ઉપર જમણે) ની ઇનસેટ આ વિશ્લેષણ માટે એક ઉદાહરણ વિસ્તાર, તેમજ દરેક તબક્કાના ઘટક માટે વિસ્તાર અપૂર્ણાંક દર્શાવે છે.
વિકસિત ઉચ્ચ-એન્ટ્રોપી સંયોજનોના ઓપ્ટિકલ માઇક્રોગ્રાફ્સ: (a) C-1, (b) C-2, (c) C-3, (d) C-4, (e) C-5 અને (f) C- 6. ઇનસેટ LAS ફેઝ એક્સપર્ટ સોફ્ટવેરનો ઉપયોગ કરીને કોન્ટ્રાસ્ટ-આધારિત ઇમેજ તબક્કા વિશ્લેષણ પરિણામોનું ઉદાહરણ બતાવે છે.
ફિગ માં બતાવ્યા પ્રમાણે. 1a, C-1 કમ્પોઝિટના મેટ્રિક્સ વોલ્યુમો વચ્ચે રચાયેલી યુટેક્ટિક માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર, જ્યાં મેટ્રિક્સ અને યુટેક્ટિક તબક્કાઓની માત્રા અનુક્રમે 87.9 ± 0.47% અને 12.1% ± 0.51% હોવાનો અંદાજ છે. ફિગ. 1b માં બતાવેલ સંયુક્ત (C-2) માં, ઘનકરણ દરમિયાન યુટેક્ટિક પ્રતિક્રિયાના કોઈ ચિહ્નો નથી, અને C-1 સંયુક્ત કરતાં સંપૂર્ણપણે અલગ માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર જોવા મળે છે. C-2 કમ્પોઝિટનું માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર પ્રમાણમાં સારું છે અને તેમાં મેટ્રિક્સ તબક્કા (fcc)માં સમાનરૂપે વિતરિત થિન પ્લેટ્સ (કાર્બાઇડ્સ)નો સમાવેશ થાય છે. મેટ્રિક્સ અને કાર્બાઇડના વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક અનુક્રમે 72 ± 1.69% અને 28 ± 1.69% હોવાનો અંદાજ છે. મેટ્રિક્સ અને કાર્બાઇડ ઉપરાંત, C-3 કમ્પોઝિટમાં એક નવો તબક્કો (સિલિસાઈડ) જોવા મળ્યો, જેમ કે ફિગ. 1c માં બતાવ્યા પ્રમાણે, જ્યાં આવા સિલિસાઈડ, કાર્બાઈડ અને મેટ્રિક્સ તબક્કાઓના વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક આશરે 26.5% ± હોવાનો અંદાજ છે. અનુક્રમે 0.41%, 25.9 ± 0.53 અને 47.6 ± 0.34. C-4 કમ્પોઝિટના માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરમાં અન્ય એક નવો તબક્કો (ગ્રેફાઇટ) પણ જોવા મળ્યો હતો; કુલ ચાર તબક્કાઓ ઓળખવામાં આવ્યા હતા. ગ્રેફાઇટ તબક્કો ઓપ્ટિકલ ઇમેજમાં ઘેરા કોન્ટ્રાસ્ટ સાથે એક અલગ ગોળાકાર આકાર ધરાવે છે અને તે માત્ર થોડી માત્રામાં જ હાજર છે (અંદાજિત વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક માત્ર 0.6 ± 0.30% છે). સંયુક્ત C-5 અને C-6 માં, માત્ર ત્રણ તબક્કાઓ ઓળખવામાં આવ્યા હતા, અને આ સંયોજનોમાં ઘેરા વિરોધાભાસી ગ્રેફાઇટ તબક્કા ફ્લેક્સના સ્વરૂપમાં દેખાય છે. સંયુક્ત S-5 માં ગ્રેફાઇટ ફ્લેક્સની તુલનામાં, સંયુક્ત S-6 માં ગ્રેફાઇટ ફ્લેક્સ પહોળા, ટૂંકા અને વધુ નિયમિત છે. C-5 કમ્પોઝિટમાં 14.9 ± 0.85% થી C-6 સંયુક્તમાં લગભગ 17.4 ± 0.55% સુધી ગ્રેફાઇટ સામગ્રીમાં અનુરૂપ વધારો જોવા મળ્યો હતો.
HEA સંયુક્તમાં દરેક તબક્કાની વિગતવાર માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર અને રાસાયણિક રચનાની વધુ તપાસ કરવા માટે, SEM નો ઉપયોગ કરીને નમૂનાઓની તપાસ કરવામાં આવી હતી, અને EMF પોઇન્ટ વિશ્લેષણ અને રાસાયણિક મેપિંગ પણ કરવામાં આવ્યું હતું. સંયુક્ત C-1 માટેના પરિણામો ફિગમાં બતાવવામાં આવ્યા છે. 2, જ્યાં મુખ્ય મેટ્રિક્સ તબક્કાના પ્રદેશોને અલગ કરતા યુટેક્ટિક મિશ્રણોની હાજરી સ્પષ્ટપણે જોવા મળે છે. સંયુક્ત C-1 નો રાસાયણિક નકશો ફિગ. 2c માં બતાવવામાં આવ્યો છે, જ્યાં તે જોઈ શકાય છે કે Co, Fe, Ni, અને Si મેટ્રિક્સ તબક્કામાં સમાનરૂપે વિતરિત થયેલ છે. જો કે, બેઝ HEA ના અન્ય ઘટકોની તુલનામાં મેટ્રિક્સ તબક્કામાં Cr ની થોડી માત્રા મળી આવી હતી, જે સૂચવે છે કે Cr મેટ્રિક્સની બહાર ફેલાયેલું છે. SEM ઇમેજમાં સફેદ યુટેક્ટિક તબક્કાની રચના ક્રોમિયમ અને કાર્બનથી સમૃદ્ધ છે, જે દર્શાવે છે કે તે ક્રોમિયમ કાર્બાઇડ છે. માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરમાં અલગ SiC કણોની ગેરહાજરી, મેટ્રિક્સમાં ક્રોમિયમની અવલોકન કરાયેલ ઓછી સામગ્રી અને ક્રોમિયમ-સમૃદ્ધ તબક્કાઓ ધરાવતા યુટેક્ટિક મિશ્રણોની હાજરી સાથે મળીને, ગલન દરમિયાન SiC ના સંપૂર્ણ વિઘટન સૂચવે છે. SiC ના વિઘટનના પરિણામે, સિલિકોન મેટ્રિક્સ તબક્કામાં ઓગળી જાય છે, અને મુક્ત કાર્બન ક્રોમિયમ સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરીને ક્રોમિયમ કાર્બાઇડ બનાવે છે. જોઈ શકાય છે તેમ, EMF પદ્ધતિ દ્વારા માત્ર કાર્બન જ ગુણાત્મક રીતે નિર્ધારિત કરવામાં આવ્યું હતું, અને તબક્કાની રચના એક્સ-રે વિવર્તન પેટર્નમાં લાક્ષણિક કાર્બાઈડ શિખરોની ઓળખ દ્વારા પુષ્ટિ કરવામાં આવી હતી.
(a) સેમ્પલ S-1 ની SEM ઈમેજ, (b) મોટી કરેલી ઈમેજ, (c) એલિમેન્ટ મેપ, (d) દર્શાવેલ સ્થાનો પર EMF પરિણામો.
સંયુક્ત C-2 નું વિશ્લેષણ ફિગમાં બતાવવામાં આવ્યું છે. 3. ઓપ્ટિકલ માઈક્રોસ્કોપીમાં દેખાવની જેમ જ, SEM પરીક્ષાએ માત્ર બે તબક્કાઓનું બનેલું સુંદર માળખું જાહેર કર્યું, જેમાં પાતળા લેમેલર તબક્કાની હાજરી સમગ્ર રચનામાં સમાનરૂપે વિતરિત કરવામાં આવી હતી. મેટ્રિક્સ તબક્કો, અને ત્યાં કોઈ યુટેક્ટિક તબક્કો નથી. લેમેલર તબક્કાના તત્વ વિતરણ અને EMF પોઈન્ટ વિશ્લેષણે આ તબક્કામાં Cr (પીળો) અને C (લીલો) ની પ્રમાણમાં ઊંચી સામગ્રી જાહેર કરી, જે ફરીથી ગલન દરમિયાન SiC નું વિઘટન અને ક્રોમિયમ અસર સાથે પ્રકાશિત કાર્બનની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા સૂચવે છે. . VEA મેટ્રિક્સ લેમેલર કાર્બાઇડ તબક્કા બનાવે છે. તત્વોનું વિતરણ અને મેટ્રિક્સ તબક્કાના બિંદુ વિશ્લેષણ દર્શાવે છે કે મોટાભાગના કોબાલ્ટ, આયર્ન, નિકલ અને સિલિકોન મેટ્રિક્સ તબક્કામાં હાજર છે.
(a) સેમ્પલ S-2 ની SEM ઈમેજ, (b) મોટી કરેલી ઈમેજ, (c) એલિમેન્ટ મેપ, (d) દર્શાવેલ સ્થાનો પર EMF પરિણામો.
C-3 સંયોજનોના SEM અભ્યાસોએ કાર્બાઇડ અને મેટ્રિક્સ તબક્કાઓ ઉપરાંત નવા તબક્કાઓની હાજરી જાહેર કરી. એલિમેન્ટલ મેપ (ફિગ. 4c) અને EMF પોઈન્ટ એનાલિસિસ (ફિગ. 4d) દર્શાવે છે કે નવો તબક્કો નિકલ, કોબાલ્ટ અને સિલિકોનથી સમૃદ્ધ છે.
(a) નમૂના S-3 ની SEM છબી, (b) વિસ્તૃત છબી, (c) તત્વ નકશો, (d) સૂચવેલ સ્થાનો પર EMF પરિણામો.
C-4 સંયુક્તના SEM અને EMF વિશ્લેષણના પરિણામો ફિગમાં બતાવવામાં આવ્યા છે. 5. સંયુક્ત C-3 માં અવલોકન કરાયેલ ત્રણ તબક્કાઓ ઉપરાંત, ગ્રેફાઇટ નોડ્યુલ્સની હાજરી પણ મળી આવી હતી. સિલિકોન-સમૃદ્ધ તબક્કાના વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક પણ C-3 સંયુક્ત કરતા વધારે છે.
(a) સેમ્પલ S-4 ની SEM ઈમેજ, (b) મોટી કરેલી ઈમેજ, (c) એલિમેન્ટ મેપ, (d) દર્શાવેલ સ્થાનો પર EMF પરિણામો.
સંયોજનો S-5 અને S-6 ના SEM અને EMF સ્પેક્ટ્રાના પરિણામો અનુક્રમે આકૃતિ 1 અને 2. 6 અને 7 માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. ગોળાઓની નાની સંખ્યા ઉપરાંત, ગ્રેફાઇટ ફ્લેક્સની હાજરી પણ જોવા મળી હતી. C-6 કમ્પોઝિટમાં ગ્રેફાઇટ ફ્લેક્સની સંખ્યા અને સિલિકોન-ધરાવતા તબક્કાના વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક બંને C-5 સંયુક્ત કરતાં વધારે છે.
(a) નમૂના C-5 ની SEM છબી, (b) વિસ્તૃત દૃશ્ય, (c) પ્રાથમિક નકશો, (d) સૂચવેલ સ્થાનો પર EMF પરિણામો.
(a) સેમ્પલ S-6 ની SEM ઈમેજ, (b) મોટી કરેલી ઈમેજ, (c) એલિમેન્ટ મેપ, (d) દર્શાવેલ સ્થાનો પર EMF પરિણામો.
XRD માપનો ઉપયોગ કરીને HEA કમ્પોઝિટનું ક્રિસ્ટલ સ્ટ્રક્ચર લાક્ષણિકતા પણ કરવામાં આવી હતી. પરિણામ આકૃતિ 8 માં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. આધાર WEA (S-0) ની વિવર્તન પેટર્નમાં, માત્ર fcc તબક્કાને અનુરૂપ શિખરો જ દૃશ્યમાન છે. કમ્પોઝીટ C-1, C-2 અને C-3 ના એક્સ-રે ડિફ્રેક્શન પેટર્નએ ક્રોમિયમ કાર્બાઇડ (Cr7C3) ને અનુરૂપ વધારાના શિખરોની હાજરી જાહેર કરી, અને C-3 અને C-4 નમૂનાઓ માટે તેમની તીવ્રતા ઓછી હતી, જે દર્શાવે છે. તે પણ આ નમૂનાઓ માટે ડેટા EMF સાથે. Co/Ni સિલિસાઇડ્સને અનુરૂપ શિખરો S-3 અને S-4 નમૂનાઓ માટે અવલોકન કરવામાં આવ્યા હતા, જે ફરીથી આકૃતિ 2 અને 3 માં દર્શાવેલ EDS મેપિંગ પરિણામો સાથે સુસંગત છે. આકૃતિ 3 અને આકૃતિ 4 માં બતાવ્યા પ્રમાણે. 5 અને S-6 શિખરો અવલોકન કરવામાં આવ્યા હતા. ગ્રેફાઇટને અનુરૂપ.
વિકસિત કમ્પોઝીટની માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરલ અને ક્રિસ્ટલોગ્રાફિક બંને લાક્ષણિકતાઓ ઉમેરાયેલ SiC ના વિઘટનને દર્શાવે છે. આ VEA મેટ્રિક્સમાં ક્રોમિયમની હાજરીને કારણે છે. ક્રોમિયમ કાર્બન 54.55 માટે ખૂબ જ મજબૂત આકર્ષણ ધરાવે છે અને કાર્બાઇડ બનાવવા માટે મુક્ત કાર્બન સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે, જેમ કે મેટ્રિક્સની ક્રોમિયમ સામગ્રીમાં અવલોકન કરાયેલ ઘટાડો દર્શાવે છે. SiC56 ના વિયોજનને કારણે Si fcc તબક્કામાં પસાર થાય છે. આમ, બેઝ HEA માં SiC ના ઉમેરામાં વધારો થવાથી કાર્બાઇડ તબક્કાની માત્રા અને માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરમાં ફ્રી Si ની માત્રામાં વધારો થયો. એવું જાણવા મળ્યું છે કે આ વધારાની Si મેટ્રિક્સમાં ઓછી સાંદ્રતામાં જમા થાય છે (સંમિશ્રિત S-1 અને S-2 માં), જ્યારે ઉચ્ચ સાંદ્રતામાં (સંમિશ્રિત S-3 થી S-6) તે વધારાના કોબાલ્ટ ડિપોઝિશન/માં પરિણમે છે. નિકલ સિલિસાઇડ. સીધા સંશ્લેષણ ઉચ્ચ-તાપમાન કેલરીમેટ્રી દ્વારા મેળવવામાં આવેલ Co અને Ni સિલિસાઇડ્સના નિર્માણની પ્રમાણભૂત એન્થાલ્પી, અનુક્રમે Co2Si, CoSi અને CoSi2 માટે -37.9 ± 2.0, -49.3 ± 1.3, -34.9 ± 1.1 kJ mol -1 છે. મૂલ્યો છે – 50.6 ± 1.7 અને – Ni2Si અને Ni5Si2 માટે અનુક્રમે 45.1 ± 1.4 kJ mol-157. આ મૂલ્યો SiC ની રચનાની ગરમી કરતા ઓછા છે, જે દર્શાવે છે કે Co/Ni સિલિસાઇડ્સની રચના તરફ દોરી જતા SiC નું વિયોજન ઊર્જાસભર રીતે અનુકૂળ છે. S-5 અને S-6 બંને સંયોજનોમાં, વધારાના મુક્ત સિલિકોન હાજર હતા, જે સિલિસાઇડની રચનાની બહાર શોષાય છે. આ ફ્રી સિલિકોન પરંપરાગત સ્ટીલ્સ58માં જોવા મળતા ગ્રાફિટાઇઝેશનમાં ફાળો આપે છે.
HEA પર આધારિત વિકસિત સિરામિક-રિઇનફોર્સ્ડ કમ્પોઝિટ્સના યાંત્રિક ગુણધર્મોની તપાસ કમ્પ્રેશન પરીક્ષણો અને કઠિનતા પરીક્ષણો દ્વારા કરવામાં આવે છે. વિકસિત સંયોજનોના તાણ-તાણ વણાંકો ફિગમાં બતાવવામાં આવ્યા છે. 9a, અને ફિગ. 9b માં ચોક્કસ ઉપજની શક્તિ, ઉપજની મજબૂતાઈ, કઠિનતા અને વિકસિત સંયોજનોના વિસ્તરણ વચ્ચેનો સ્કેટરપ્લોટ બતાવે છે.
(a) સંકુચિત તાણ વણાંકો અને (b) સ્કેટરપ્લોટ્સ ચોક્કસ ઉપજ તણાવ, ઉપજની શક્તિ, કઠિનતા અને વિસ્તરણ દર્શાવે છે. નોંધ કરો કે માત્ર S-0 થી S-4 નમુનાઓ દર્શાવવામાં આવ્યા છે, કારણ કે S-5 અને S-6 નમુનાઓમાં નોંધપાત્ર કાસ્ટિંગ ખામીઓ છે.
જેમ અંજીરમાં જોવા મળે છે. 9, બેઝ VES (C-0) માટે ઉપજ શક્તિ 136 MPa થી C-4 સંયુક્ત માટે 2522 MPa સુધી વધી છે. મૂળભૂત WPP ની તુલનામાં, S-2 સંયુક્ત એ લગભગ 37% ની નિષ્ફળતા માટે ખૂબ જ સારી વિસ્તરણ દર્શાવ્યું, અને તે પણ નોંધપાત્ર રીતે ઉચ્ચ ઉપજ શક્તિ મૂલ્યો (1200 MPa) દર્શાવે છે. આ કમ્પોઝિટની મજબૂતાઈ અને નમ્રતાનું ઉત્તમ સંયોજન સમગ્ર માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરમાં ફાઇન કાર્બાઇડ લેમેલીના સમાન વિતરણ સહિત સમગ્ર માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરમાં સુધારણાને કારણે છે, જે અવ્યવસ્થાની હિલચાલને અવરોધે તેવી અપેક્ષા છે. C-3 અને C-4 સંયોજનોની ઉપજ શક્તિ અનુક્રમે 1925 MPa અને 2522 MPa છે. આ ઉચ્ચ ઉપજ શક્તિઓને સિમેન્ટેડ કાર્બાઇડ અને સિલિસાઇડ તબક્કાઓના ઉચ્ચ વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક દ્વારા સમજાવી શકાય છે. જો કે, આ તબક્કાઓની હાજરી માત્ર 7% ના વિરામ પર વિસ્તરણમાં પરિણમી હતી. બેઝ કોમ્પોઝીટ CoCrFeNi HEA (S-0) અને S-1 ના તાણ-તાણ વણાંકો બહિર્મુખ છે, જે ટ્વીનિંગ અસર અથવા TRIP59,60 ના સક્રિયકરણ સૂચવે છે. નમૂના S-1 ની તુલનામાં, નમૂના S-2 ના તાણ-તાણ વળાંક લગભગ 10.20% ના તાણ પર અંતર્મુખ આકાર ધરાવે છે, જેનો અર્થ છે કે સામાન્ય અવ્યવસ્થા સ્લિપ આ વિકૃત સ્થિતિમાં નમૂનાનું મુખ્ય વિરૂપતા મોડ છે60,61 . જો કે, આ નમૂનામાં સખ્તાઈનો દર મોટી તાણ શ્રેણીમાં ઊંચો રહે છે, અને ઉચ્ચ તાણમાં બહિર્મુખતામાં સંક્રમણ પણ દેખાય છે (જોકે તે નકારી શકાય નહીં કે આ લ્યુબ્રિકેટેડ કોમ્પ્રેસિવ લોડ્સની નિષ્ફળતાને કારણે છે). ). માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરમાં કાર્બાઇડ્સ અને સિલિસાઇડ્સના ઉચ્ચ વોલ્યુમ અપૂર્ણાંકની હાજરીને કારણે કમ્પોઝિટ C-3 અને C-4 માત્ર મર્યાદિત પ્લાસ્ટિસિટી ધરાવે છે. કમ્પોઝિટના આ નમૂનાઓ પર નોંધપાત્ર કાસ્ટિંગ ખામીઓને કારણે કમ્પોઝિટ C-5 અને C-6 ના નમૂનાઓના કમ્પ્રેશન પરીક્ષણો હાથ ધરવામાં આવ્યા ન હતા (ફિગ. 10 જુઓ).
કમ્પોઝિટ C-5 અને C-6 ના નમૂનાઓમાં કાસ્ટિંગ ખામી (લાલ તીરો દ્વારા સૂચવવામાં આવેલ) ના સ્ટીરિયોમાઇક્રોગ્રાફ્સ.
VEA કમ્પોઝીટની કઠિનતા માપવાના પરિણામો ફિગમાં બતાવવામાં આવ્યા છે. 9બી. બેઝ WEA ની કઠિનતા 130±5 HV છે, અને નમૂના S-1, S-2, S-3 અને S-4 ની કઠિનતા મૂલ્યો 250±10 HV, 275±10 HV, 570±20 HV અને 755±20 HV. કઠિનતામાં વધારો કમ્પ્રેશન પરીક્ષણોમાંથી મેળવેલી ઉપજ શક્તિમાં ફેરફાર સાથે સારી રીતે સહમત હતો અને સંયુક્તમાં ઘન પદાર્થોની માત્રામાં વધારો સાથે સંકળાયેલ હતો. દરેક નમૂનાની લક્ષ્ય રચનાના આધારે ગણતરી કરેલ ચોક્કસ ઉપજ શક્તિ પણ અંજીરમાં બતાવવામાં આવી છે. 9બી. સામાન્ય રીતે, ઉપજ શક્તિ (1200 MPa), કઠિનતા (275 ± 10 HV), અને નિષ્ફળતા માટે સંબંધિત વિસ્તરણ (~37%)નું શ્રેષ્ઠ સંયોજન સંયુક્ત C-2 માટે જોવા મળે છે.
વિકસીત કમ્પોઝીટની ઉપજની શક્તિ અને સંબંધિત વિસ્તરણની સરખામણી વિવિધ વર્ગોની સામગ્રી સાથે ફિગ. 11a માં દર્શાવવામાં આવી છે. આ અભ્યાસમાં CoCrFeNi પર આધારિત કોમ્પોઝીટ્સ કોઈપણ આપેલ તણાવ સ્તરે ઉચ્ચ વિસ્તરણ દર્શાવે છે62. તે પણ જોઈ શકાય છે કે આ અભ્યાસમાં વિકસિત HEA કમ્પોઝિટના ગુણધર્મો વિસ્તરણ વિરુદ્ધ ઉપજની શક્તિના પ્લોટના અગાઉના બિન-કબજાવાળા પ્રદેશમાં આવેલા છે. આ ઉપરાંત, વિકસિત કમ્પોઝિટમાં તાકાત (277 MPa, 1200 MPa, 1925 MPa અને 2522 MPa) અને વિસ્તરણ (>60%, 37%, 7.3% અને 6.19%)ના સંયોજનોની વિશાળ શ્રેણી છે. અદ્યતન ઇજનેરી એપ્લિકેશન્સ63,64 માટે સામગ્રીની પસંદગીમાં ઉપજની શક્તિ પણ એક મહત્વપૂર્ણ પરિબળ છે. આ સંદર્ભમાં, હાલની શોધના HEA સંયોજનો ઉપજ શક્તિ અને વિસ્તરણનું ઉત્તમ સંયોજન દર્શાવે છે. આ એટલા માટે છે કારણ કે ઓછી ઘનતા SiC ના ઉમેરાથી ઉચ્ચ ચોક્કસ ઉપજ શક્તિ સાથે સંયોજનમાં પરિણમે છે. HEA સંયોજનોની ચોક્કસ ઉપજ શક્તિ અને વિસ્તરણ HEA FCC અને પ્રત્યાવર્તન HEA જેવી જ શ્રેણીમાં છે, જેમ કે ફિગ. 11b માં બતાવેલ છે. વિકસિત કમ્પોઝીટની કઠિનતા અને ઉપજની શક્તિ એ જ શ્રેણીમાં છે જે મોટા મેટાલિક ચશ્મા માટે છે65 (ફિગ. 11c). મેસિવ મેટાલિક ચશ્મા (BMS) ઉચ્ચ કઠિનતા અને ઉપજ શક્તિ દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે, પરંતુ તેમનું વિસ્તરણ મર્યાદિત 66,67 છે. જો કે, આ અભ્યાસમાં વિકસિત કેટલાક HEA સંયોજનોની કઠિનતા અને ઉપજની શક્તિએ પણ નોંધપાત્ર વિસ્તરણ દર્શાવ્યું હતું. આમ, એવું તારણ કાઢવામાં આવ્યું હતું કે VEA દ્વારા વિકસાવવામાં આવેલ સંયોજનો વિવિધ માળખાકીય એપ્લિકેશનો માટે યાંત્રિક ગુણધર્મોનું અનન્ય અને માંગી શકાય તેવું સંયોજન ધરાવે છે. યાંત્રિક ગુણધર્મોના આ અનોખા સંયોજનને FCC HEA મેટ્રિક્સમાં સ્થિત સખત કાર્બાઇડ્સના એકસમાન વિક્ષેપ દ્વારા સમજાવી શકાય છે. જો કે, મજબૂતાઈના વધુ સારા સંયોજનને હાંસલ કરવાના ધ્યેયના ભાગ રૂપે, સિરામિક તબક્કાઓના ઉમેરાથી પરિણમેલા માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરલ ફેરફારોનો કાળજીપૂર્વક અભ્યાસ કરવો જોઈએ અને કાસ્ટિંગ ખામીઓને ટાળવા માટે નિયંત્રિત કરવું જોઈએ, જેમ કે S-5 અને S-6 સંયોજનોમાં જોવા મળે છે, અને નરમાઈ લિંગ
આ અભ્યાસના પરિણામોની સરખામણી વિવિધ માળખાકીય સામગ્રીઓ અને HEAs સાથે કરવામાં આવી હતી: (a) વિસ્તરણ વિરુદ્ધ ઉપજની શક્તિ62, (b) ચોક્કસ ઉપજ તણાવ વિરુદ્ધ નમ્રતા63 અને (c) ઉપજ શક્તિ વિરુદ્ધ સખતતા65.
SIC ના ઉમેરા સાથે HEA CoCrFeNi સિસ્ટમ પર આધારિત HEA-સિરામિક સંયોજનોની શ્રેણીના માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર અને યાંત્રિક ગુણધર્મોનો અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો છે અને નીચેના તારણો કાઢવામાં આવ્યા છે:
આર્ક મેલ્ટિંગ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને CoCrFeNi HEA માં SiC ઉમેરીને ઉચ્ચ એન્ટ્રોપી એલોય સંયોજનો સફળતાપૂર્વક વિકસાવી શકાય છે.
ચાપ ગલન દરમિયાન SiC વિઘટિત થાય છે, જે કાર્બાઇડ, સિલિસાઇડ અને ગ્રેફાઇટ તબક્કાઓની સ્થિતિમાં રચના તરફ દોરી જાય છે, જેની હાજરી અને વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક બેઝ HEA માં ઉમેરવામાં આવેલ SiC ની માત્રા પર આધાર રાખે છે.
HEA કમ્પોઝિટ ઘણા ઉત્કૃષ્ટ યાંત્રિક ગુણધર્મો પ્રદર્શિત કરે છે, જે ગુણધર્મો વિસ્તરણ પ્લોટ વિરુદ્ધ ઉપજની મજબૂતાઈ પર અગાઉ બિન-કબજાવાળા વિસ્તારોમાં આવે છે. 6 wt% SiC નો ઉપયોગ કરીને બનાવેલ HEA કમ્પોઝિટની ઉપજ શક્તિ બેઝ HEA કરતા આઠ ગણી વધુ હતી જ્યારે 37% નરમતા જાળવી રાખી હતી.
HEA કમ્પોઝીટની કઠિનતા અને ઉપજ શક્તિ બલ્ક મેટાલિક ચશ્મા (BMG) ની શ્રેણીમાં છે.
તારણો સૂચવે છે કે ઉચ્ચ-એન્ટ્રોપી એલોય સંયોજનો અદ્યતન માળખાકીય કાર્યક્રમો માટે મેટલ-મિકેનિકલ ગુણધર્મોના ઉત્તમ સંયોજનને હાંસલ કરવા માટે એક આશાસ્પદ અભિગમનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે.