세라믹 강화 HEA 기반 복합재는 우수한 기계적 특성 조합을 나타냅니다.

CoCrFeNi는 잘 연구된 FCC(면심 입방형) 고엔트로피 합금(HEA)으로 연성은 우수하지만 강도는 제한적입니다. 본 연구의 초점은 아크 용융 방법을 사용하여 SiC의 양을 다르게 추가하여 HEA의 강도와 연성의 균형을 개선하는 것입니다. 기본 HEA에 크롬이 존재하면 용융 중에 SiC가 분해되는 것으로 확인되었습니다. 따라서, 유리 탄소와 크롬의 상호작용은 크롬 탄화물의 현장 형성으로 이어지는 반면, 유리 실리콘은 베이스 HEA의 용액에 남아 있거나 베이스 HEA를 구성하는 원소와 상호작용하여 규화물을 형성합니다. SiC 함량이 증가함에 따라 미세구조 상은 fcc → fcc + 공융 → fcc + 크롬 카바이드 플레이크 → fcc + 크롬 카바이드 플레이크 + 규화물 → fcc + 크롬 카바이드 플레이크 + 규화물 + 흑연 볼/흑연 플레이크의 순서로 변경됩니다. 생성된 복합재는 기존 합금 및 고엔트로피 합금에 비해 매우 넓은 범위의 기계적 특성(60% 이상 연신율에서 277MPa, 6% 연신율에서 2522MPa 범위의 항복 강도)을 나타냅니다. 개발된 일부 고엔트로피 복합재는 기계적 특성(항복 강도 1200 MPa, 연신율 37%)의 탁월한 조합을 보여주며 항복 응력-신장 다이어그램에서 이전에는 달성할 수 없었던 영역을 차지합니다. 놀라운 연신율 외에도 HEA 복합재의 경도와 항복 강도는 벌크 금속 유리와 동일한 범위에 있습니다. 따라서, 고엔트로피 복합재의 개발은 고급 구조 응용을 위한 우수한 기계적 특성 조합을 달성하는 데 도움이 될 수 있다고 믿어집니다.
고엔트로피 합금의 개발은 야금학에서 유망한 새로운 개념입니다1,2. 고엔트로피 합금(HEA)은 높은 열 안정성3,4 초소성 신율5,6 피로 저항7,8 내식성9,10,11, 탁월한 내마모성12,13,14을 포함하여 물리적 및 기계적 특성의 탁월한 조합을 여러 사례에서 보여주었습니다. ,15 및 마찰학적 특성15,16,17 심지어 고온에서도18,19,20,21,22 저온에서의 기계적 특성23,24,25. HEA의 기계적 특성의 탁월한 조합은 일반적으로 높은 구성 엔트로피, 강한 격자 왜곡, 느린 확산 및 칵테일 효과라는 네 가지 주요 효과에 기인합니다. HEA는 일반적으로 FCC, BCC 및 HCP 유형으로 분류됩니다. FCC HEA는 일반적으로 Co, Cr, Fe, Ni 및 Mn과 같은 전이 원소를 포함하고 있으며 연성은 우수하지만(낮은 온도에서도25) 강도는 낮습니다. BCC HEA는 일반적으로 W, Mo, Nb, Ta, Ti 및 V와 같은 고밀도 원소로 구성되며 강도는 매우 높지만 연성이 낮고 비강도가 낮습니다.
기계적 특성의 최상의 조합을 얻기 위해 기계 가공, 열역학적 처리 및 요소 추가를 기반으로 하는 HEA의 미세 구조 변형이 조사되었습니다. CoCrFeMnNi FCC HEA는 고압 비틀림에 의해 심각한 소성 변형을 겪게 되어 경도(520HV)와 강도(1950MPa)가 크게 증가하지만 나노 결정질 미세 구조(~50nm)의 발달로 인해 합금이 부서지기 쉽습니다31 . CoCrFeMnNi HEA에 쌍정 연성(TWIP) 및 변형 유도 가소성(TRIP)을 통합하면 실제 인장 강도 값이 희생되기는 하지만 우수한 가공 경화성을 부여하여 높은 인장 연성을 가져오는 것으로 밝혀졌습니다. 이하 (1124MPa) 32. 쇼트 피닝을 사용하여 CoCrFeMnNi HEA에서 층상 미세구조(얇은 변형층과 변형되지 않은 코어로 구성)를 형성하면 강도가 증가하지만 이러한 개선은 약 700MPa로 제한됩니다. 강도와 연성이 가장 잘 조합된 재료를 찾기 위해 비동위원소 요소를 첨가한 다상 HEA 및 공융 HEA의 개발도 조사되었습니다34,35,36,37,38,39,40,41. 실제로, 공융 고엔트로피 합금에서 경질 및 연질 상이 더 ​​미세하게 분포되면 강도와 연성의 상대적으로 더 나은 조합이 발생할 수 있는 것으로 밝혀졌습니다35,38,42,43.
CoCrFeNi 시스템은 널리 연구된 단상 FCC 고엔트로피 합금입니다. 이 시스템은 저온 및 고온 모두에서 빠른 가공 경화 특성44과 우수한 연성을 나타냅니다45,46. 결정립 미세화, 이종 미세 구조, 석출 및 변형 유발 소성(TRIP)을 포함하여 상대적으로 낮은 강도(~300 MPa)를 개선하기 위한 다양한 시도가 이루어졌습니다. 가혹한 조건에서 냉간 인발을 통해 주조 면심 입방체 HEA CoCrFeNi의 결정립 미세화는 강도를 약 300 MPa47.48에서 1.2 GPa25로 증가시키지만 연성의 손실은 60% 이상에서 12.6%로 감소시킵니다. CoCrFeNi의 HEA에 Al을 첨가하면 이질적인 미세 구조가 형성되어 항복 강도가 786 MPa로 증가하고 상대 연신율이 약 22%49로 증가했습니다. CoCrFeNi HEA에 Ti, Al을 첨가하여 석출물을 형성함으로써 석출강화를 형성하여 항복강도를 645MPa로, 연신율을 39%로 증가시켰다51. TRIP 메커니즘(면심 입방체 → 육면체 마르텐사이트 변태)과 쌍정은 CoCrFeNi HEA의 인장 강도를 841MPa로 증가시키고 파단 연신율을 76%로 증가시켰습니다53.
강도와 연성의 더 나은 조합을 나타낼 수 있는 고엔트로피 복합재를 개발하기 위해 HEA 면 중심 입방 매트릭스에 세라믹 보강재를 추가하려는 시도도 있었습니다. 높은 엔트로피를 갖는 복합재는 진공 아크 용융44, 기계적 합금45,46,47,48,52,53, 스파크 플라즈마 소결46,51,52, 진공 핫 프레싱45, 열간 등방압 프레싱47,48 및 적층 제조 공정 개발43, 50. WC44, 45, 46, Al2O347, SiC48, TiC43, 49, TiN50 및 Y2O351과 같은 탄화물, 산화물 및 질화물은 HEA 복합재 개발에서 세라믹 강화재로 사용되었습니다. 강력하고 내구성이 뛰어난 HEA 복합재를 설계하고 개발할 때 올바른 HEA 매트릭스와 세라믹을 선택하는 것이 특히 중요합니다. 본 연구에서는 CoCrFeNi가 매트릭스 재료로 선택되었습니다. CoCrFeNi HEA에 다양한 양의 SiC를 첨가하고 미세 구조, 상 조성 및 기계적 특성에 미치는 영향을 연구했습니다.
HEA 복합재 제조를 위한 원료로 기본 입자 형태의 고순도 금속인 Co, Cr, Fe, Ni(99.95wt%)과 SiC 분말(순도 99%, 크기 -400 메쉬)을 사용했습니다. CoCrFeNi HEA의 동위원소 조성을 먼저 반구형 ​​수냉식 구리 몰드에 넣은 다음 챔버를 3·10-5mbar로 비웠습니다. 비소모성 텅스텐 전극으로 아크 용해에 필요한 진공을 달성하기 위해 고순도 아르곤 가스가 도입됩니다. 생성된 잉곳은 우수한 균질성을 보장하기 위해 5회 뒤집어서 재용해됩니다. 생성된 등원자 CoCrFeNi 버튼에 일정량의 SiC를 첨가하여 다양한 조성의 고엔트로피 복합재를 제조했으며, 각 경우에 5배 반전 및 재용해를 통해 재균질화했습니다. 추가 테스트 및 특성화를 위해 생성된 복합재로 성형된 버튼을 EDM을 사용하여 절단했습니다. 미세 구조 연구를 위한 샘플은 표준 금속 조직학 방법에 따라 준비되었습니다. 먼저, 정량적 위상 분석을 위해 소프트웨어 Leica Image Analysis(LAS Phase Expert)가 포함된 광학 현미경(Leica Microscope DM6M)을 사용하여 샘플을 검사했습니다. 위상 분석을 위해 총 면적이 약 27,000μm2인 서로 다른 영역에서 촬영한 3개의 이미지를 선택했습니다. 에너지 분산 분광학(EDS) 분석 시스템이 장착된 주사형 전자 현미경(JEOL JSM-6490LA)을 사용하여 화학적 조성 분석 및 원소 분포 분석을 포함한 추가 세부 미세 구조 연구를 수행했습니다. HEA 복합재의 결정 구조 특성화는 단계 크기가 0.04°인 CuKα 소스를 사용하는 X선 회절 시스템(Bruker D2 위상 변환기)을 사용하여 수행되었습니다. HEA 복합재의 기계적 특성에 대한 미세 구조 변화의 영향은 Vickers 미세 경도 테스트 및 압축 테스트를 사용하여 연구되었습니다. 경도 시험의 경우 시편당 최소 10개의 압흔을 사용하여 500N의 하중을 15초 동안 적용합니다. 실온에서 HEA 복합재의 압축 시험은 Shimadzu 50KN 만능 시험기(UTM)에서 직사각형 시편(7mm × 3mm × 3mm)에 대해 초기 변형 속도 0.001/s로 수행되었습니다.
이하 샘플 S-1 ~ S-6으로 지칭되는 고엔트로피 복합재는 CoCrFeNi 매트릭스에 3%, 6%, 9%, 12%, 15% 및 17% SiC(모두 중량% 기준)를 첨가하여 제조되었습니다. . 각기. 이하, SiC를 첨가하지 않은 기준 샘플을 샘플 S-0이라 칭한다. 개발된 HEA 복합재의 광학 현미경 사진은 그림 1과 2에 나와 있습니다. 다양한 첨가제의 첨가로 인해 CoCrFeNi HEA의 단일상 미세구조가 다양한 형태, 크기 및 분포를 갖는 여러 상으로 구성된 미세구조로 변형되었습니다. 조성물 내 SiC의 양. 각 위상의 양은 LAS Phase Expert 소프트웨어를 사용한 이미지 분석을 통해 결정되었습니다. 그림 1(오른쪽 상단)의 삽입은 이 분석을 위한 예시 영역과 각 위상 구성 요소의 영역 비율을 보여줍니다.
개발된 고엔트로피 복합재료의 광학 현미경 사진: (a) C-1, (b) C-2, (c) C-3, (d) C-4, (e) C-5 및 (f) C- 6. 삽입된 그림은 LAS Phase Expert 소프트웨어를 사용한 대비 기반 이미지 위상 분석 결과의 예를 보여줍니다.
그림과 같이. 도 1a는 C-1 복합체의 매트릭스 부피 사이에 형성된 공융 미세구조를 보여주며, 여기서 매트릭스 및 공융상의 양은 각각 87.9 ± 0.47% 및 12.1% ± 0.51%로 추정된다. 도 1b에 도시된 복합체(C-2)에서는 응고 시 공융반응의 흔적이 없으며, C-1 복합체와 전혀 다른 미세구조가 관찰된다. C-2 복합체의 미세구조는 상대적으로 미세하며 매트릭스상(fcc)에 균일하게 분포된 얇은 판(탄화물)으로 구성됩니다. 매트릭스와 탄화물의 부피 분율은 각각 72 ± 1.69%와 28 ± 1.69%로 추정됩니다. 그림 1c에 표시된 것처럼 매트릭스와 탄화물 외에도 C-3 복합재에서 새로운 상(규화물)이 발견되었으며, 여기서 이러한 규화물, 탄화물 및 매트릭스 상의 부피 분율은 약 26.5% ± 로 추정됩니다. 각각 0.41%, 25.9 ± 0.53, 47.6 ± 0.34. 또 다른 새로운 상(흑연)도 C-4 복합체의 미세구조에서 관찰되었습니다. 총 4단계로 확인되었습니다. 흑연 상은 광학 이미지에서 어두운 대비를 갖는 뚜렷한 구형 모양을 가지며 소량으로만 존재합니다(추정 부피 분율은 약 0.6 ± 0.30%에 불과함). 복합재 C-5 및 C-6에서는 세 개의 상만 확인되었으며, 이들 복합재의 어두운 대조 흑연 상은 플레이크 형태로 나타납니다. 복합재 S-5의 흑연 플레이크와 비교하여 복합재 S-6의 흑연 플레이크는 더 넓고, 짧으며, 더 규칙적입니다. 흑연 함량의 상응하는 증가도 C-5 복합재의 14.9 ± 0.85%에서 C-6 복합재의 약 17.4 ± 0.55%로 관찰되었습니다.
HEA 복합재의 각 상의 상세한 미세구조와 화학적 조성을 더 자세히 조사하기 위해 SEM을 사용하여 샘플을 검사하고 EMF 포인트 분석과 화학적 매핑도 수행했습니다. 복합체 C-1에 대한 결과를 도 1에 나타내었다. 2에서는 주 매트릭스 상의 영역을 분리하는 공융 혼합물의 존재가 명확하게 보입니다. 복합재 C-1의 화학적 지도는 그림 2c에 표시되어 있으며, 여기서 Co, Fe, Ni 및 Si가 매트릭스 상에 균일하게 분포되어 있음을 볼 수 있습니다. 그러나 베이스 HEA의 다른 원소에 비해 매트릭스 상에서 소량의 Cr이 발견되었는데, 이는 Cr이 매트릭스 외부로 확산되었음을 시사합니다. SEM 이미지의 백색 공융상의 조성은 크롬과 탄소가 풍부하여 크롬 탄화물임을 나타냅니다. 미세 구조에 개별 SiC 입자가 없고 매트릭스에서 관찰된 낮은 크롬 함량과 크롬이 풍부한 상을 포함하는 공융 혼합물이 존재한다는 사실은 용융 중에 SiC가 완전히 분해되었음을 나타냅니다. SiC의 분해 결과, 실리콘은 매트릭스 상에 용해되고 자유 탄소는 크롬과 상호 작용하여 크롬 탄화물을 형성합니다. 보는 바와 같이 EMF법으로 탄소만을 정성적으로 측정하였으며, X-선 회절 패턴에서 특징적인 탄화물 피크를 확인하여 상 형성을 확인하였다.
(a) 샘플 S-1의 SEM 이미지, (b) 확대 이미지, (c) 요소 맵, (d) 표시된 위치의 EMF 결과.
복합재 C-2의 분석이 그림에 나와 있습니다. 3. 광학현미경의 모습과 유사하게 SEM 검사를 통해 두 개의 상으로만 구성된 미세 구조가 나타났으며 구조 전체에 고르게 분포된 얇은 라멜라 상이 존재했습니다. 매트릭스 단계이며 공융 단계가 없습니다. 라멜라 상의 원소 분포와 EMF 점 분석을 통해 이 상의 상대적으로 높은 함량의 Cr(노란색)과 C(녹색)가 나타났습니다. 이는 다시 용융 중 SiC의 분해 및 방출된 탄소와 크롬 효과의 상호 작용을 나타냅니다. . VEA 매트릭스는 라멜라 탄화물 상을 형성합니다. 기지상의 원소분포와 점분석 결과, 코발트, 철, 니켈, 규소가 대부분 기지상에 존재하는 것으로 나타났다.
(a) 샘플 S-2의 SEM 이미지, (b) 확대 이미지, (c) 요소 맵, (d) 표시된 위치의 EMF 결과.
C-3 복합재에 대한 SEM 연구에서는 탄화물 및 매트릭스 상 외에 새로운 상이 존재하는 것으로 나타났습니다. 원소 지도(그림 4c)와 EMF 점 분석(그림 4d)은 새로운 상에 니켈, 코발트, 실리콘이 풍부하다는 것을 보여줍니다.
(a) 샘플 S-3의 SEM 이미지, (b) 확대 이미지, (c) 요소 맵, (d) 표시된 위치의 EMF 결과.
C-4 복합체의 SEM 및 EMF 분석 결과를 도 1 및 도 2에 나타내었다. 5. 복합체 C-3에서 관찰된 세 가지 상 외에도 흑연 단괴의 존재도 발견되었습니다. 실리콘이 풍부한 상의 부피 분율도 C-3 복합체의 부피 분율보다 높습니다.
(a) 샘플 S-4의 SEM 이미지, (b) 확대 이미지, (c) 요소 맵, (d) 표시된 위치의 EMF 결과.
복합재 S-5와 S-6의 SEM 및 EMF 스펙트럼 결과는 각각 그림 1과 2, 6과 7에 나와 있습니다. 소수의 구 외에도 흑연 플레이크의 존재도 관찰되었습니다. C-6 복합재의 흑연 플레이크 수와 규소 함유 상의 부피 분율은 C-5 복합재보다 더 큽니다.
(a) 샘플 C-5의 SEM 이미지, (b) 확대도, (c) 원소 맵, (d) 표시된 위치의 EMF 결과.
(a) 샘플 S-6의 SEM 이미지, (b) 확대 이미지, (c) 요소 맵, (d) 표시된 위치의 EMF 결과.
HEA 복합재의 결정 구조 특성화도 XRD 측정을 사용하여 수행되었습니다. 결과는 그림 8과 같습니다. 기본 WEA(S-0)의 회절 패턴에서는 fcc 상에 해당하는 피크만 보입니다. 복합재 C-1, C-2 및 C-3의 X선 회절 패턴에서는 탄화크롬(Cr7C3)에 해당하는 추가 피크가 존재하는 것으로 나타났으며, 그 강도는 샘플 C-3 및 C-4에서 더 낮았습니다. 이는 또한 이 샘플의 데이터 EMF에도 적용됩니다. Co/Ni 실리사이드에 해당하는 피크가 샘플 S-3 및 S-4에서 관찰되었으며 이는 그림 2 및 3에 표시된 EDS 매핑 결과와 다시 일치합니다. 그림 3 및 그림 4에 표시된 대로 5 및 S-6 피크가 관찰되었습니다. 흑연에 해당합니다.
개발된 복합재의 미세 구조 및 결정학적 특성 모두 추가된 SiC의 분해를 나타냅니다. 이는 VEA 매트릭스에 크롬이 존재하기 때문입니다. 크롬은 탄소 54.55에 대해 매우 강한 친화력을 가지며 자유 탄소와 반응하여 탄화물을 형성하는데, 이는 매트릭스의 크롬 함량이 감소하는 것으로 관찰됩니다. Si는 SiC56의 해리로 인해 fcc 단계로 이동합니다. 따라서, 베이스 HEA에 SiC의 첨가가 증가하면 미세구조 내 탄화물 상의 양과 유리 Si의 양이 증가하게 됩니다. 이러한 추가 Si는 낮은 농도(복합체 S-1 및 S-2)에서 매트릭스에 침착되는 반면, 더 높은 농도(복합체 S-3 내지 S-6)에서는 추가적인 코발트 침착을 초래하는 것으로 밝혀졌습니다. 니켈 규화물. 직접 합성 고온 열량계로 얻은 Co 및 Ni 규화물 형성의 표준 엔탈피는 Co2Si, CoSi 및 CoSi2에 대해 각각 -37.9 ± 2.0, -49.3 ± 1.3, -34.9 ± 1.1 kJ mol -1 입니다. 값은 – 50.6 ± 1.7 및 – 45.1 ± 1.4 kJ입니다. Ni2Si 및 Ni5Si2의 경우 각각 mol-157입니다. 이러한 값은 SiC의 형성 열보다 낮으며, 이는 Co/Ni 실리사이드의 형성으로 이어지는 SiC의 해리가 에너지적으로 유리하다는 것을 나타냅니다. S-5 및 S-6 복합재 모두에는 규화물 형성 이후에 흡수된 추가 유리 실리콘이 존재했습니다. 이 유리 실리콘은 기존 강철에서 관찰되는 흑연화에 기여하는 것으로 밝혀졌습니다58.
개발된 HEA 기반 세라믹 강화 복합재의 기계적 특성은 압축 시험과 경도 시험을 통해 조사됩니다. 개발된 복합재의 응력-변형률 곡선은 그림 1과 2에 나와 있습니다. 그림 9a와 그림 9b는 개발된 복합재의 비항복강도, 항복강도, 경도 및 연신율 간의 산점도를 보여줍니다.
(a) 압축 변형률 곡선 및 (b) 특정 항복 응력, 항복 강도, 경도 및 연신율을 보여주는 산점도. 시편 S-5 및 S-6에는 심각한 주조 결함이 포함되어 있으므로 시편 S-0 ~ S-4만 표시됩니다.
그림에서 볼 수 있듯이. 도 9에 도시된 바와 같이, 항복강도는 기본 VES(C-0)의 경우 136MPa에서 C-4 복합재의 경우 2522MPa로 증가했습니다. 기본 WPP와 비교하여 S-2 복합재는 약 37%의 매우 우수한 파단신율을 나타냈으며, 또한 상당히 높은 항복강도 값(1200MPa)을 나타냈다. 이 복합재의 강도와 연성의 탁월한 조합은 미세 구조 전반에 걸쳐 미세한 탄화물 라멜라의 균일한 분포를 포함하여 전반적인 미세 구조의 개선으로 인해 전위 이동을 억제할 것으로 예상됩니다. C-3 및 C-4 복합재의 항복 강도는 각각 1925MPa 및 2522MPa입니다. 이러한 높은 항복 강도는 초경합금 및 규화물 상의 높은 부피 비율로 설명될 수 있습니다. 그러나 이러한 상의 존재로 인해 파단 연신율은 7%에 불과했습니다. 기본 복합재 CoCrFeNi HEA(S-0) 및 S-1의 응력-변형 곡선은 볼록하며 이는 쌍정 효과 또는 TRIP59,60의 활성화를 나타냅니다. 샘플 S-1과 비교하여 샘플 S-2의 응력-변형률 곡선은 약 10.20%의 변형률에서 오목한 형태를 가지며, 이는 정상 전위 슬립이 이 변형 상태에서 샘플의 주요 변형 모드임을 의미합니다60,61 . 그러나 이 시편의 경화 속도는 넓은 변형률 범위에 걸쳐 높게 유지되며 더 높은 변형률에서는 볼록하게 변하는 현상도 볼 수 있습니다(그러나 이것이 윤활 압축 하중의 실패로 인한 것임을 배제할 수는 없음). ). 복합재 C-3 및 C-4는 미세 구조에 탄화물 및 규화물의 부피 분율이 더 높기 때문에 가소성이 제한적입니다. 복합재 C-5 및 C-6 샘플의 압축 시험은 이러한 복합재 샘플의 심각한 주조 결함으로 인해 수행되지 않았습니다(그림 10 참조).
복합재 C-5 및 C-6 샘플의 주조 결함(빨간색 화살표로 표시)에 대한 입체현미경 사진.
VEA 복합재의 경도 측정 결과를 도 1 및 도 2에 나타내었다. 9b. 기본 WEA의 경도는 130±5HV이고 샘플 S-1, S-2, S-3 및 S-4의 경도 값은 250±10HV, 275±10HV, 570±20HV 및 755±20HV. 경도의 증가는 압축 시험에서 얻은 항복 강도의 변화와 잘 일치하며 복합재의 고형물 양의 증가와 관련이 있습니다. 각 샘플의 목표 조성을 기준으로 계산된 비항복강도도 그림에 표시되어 있습니다. 9b. 일반적으로 복합재 C-2에서는 항복 강도(1200 MPa), 경도(275 ± 10 HV) 및 상대 파손 연신율(~37%)의 최상의 조합이 관찰됩니다.
다양한 등급의 재료를 사용하여 개발된 복합재의 항복 강도와 상대 신장률을 비교한 결과가 그림 11a에 나와 있습니다. 본 연구에서 CoCrFeNi 기반 복합재는 주어진 응력 수준62에서 높은 신장률을 보여주었습니다. 또한 본 연구에서 개발된 HEA 복합재의 특성은 항복 강도 대 연신율 플롯에서 이전에 비어 있던 영역에 있음을 알 수 있습니다. 또한 개발된 복합재는 강도(277MPa, 1200MPa, 1925MPa 및 2522MPa)와 연신율(>60%, 37%, 7.3% 및 6.19%)의 다양한 조합을 갖습니다. 항복강도는 고급 엔지니어링 응용을 위한 재료 선택에 중요한 요소이기도 합니다63,64. 이와 관련하여, 본 발명의 HEA 복합재는 항복강도와 연신율의 우수한 조합을 나타낸다. 이는 저밀도 SiC를 첨가하면 비항복강도가 높은 복합재가 생성되기 때문입니다. HEA 복합재의 비항복강도와 연신율은 그림 11b에 표시된 것처럼 HEA FCC 및 내화성 HEA와 동일한 범위에 있습니다. 개발된 복합재의 경도와 항복 강도는 거대한 금속 유리와 동일한 범위에 있습니다65(그림 11c). 대규모 금속 유리(BMS)는 높은 경도와 항복 강도가 특징이지만 연신율은 제한적입니다66,67. 그러나 본 연구에서 개발된 일부 HEA 복합재의 경도와 항복강도에서도 상당한 연신율이 나타났습니다. 따라서 VEA가 개발한 복합재는 다양한 구조적 응용 분야에서 독특하고 수요가 많은 기계적 특성의 조합을 가지고 있다는 결론이 나왔습니다. 이러한 기계적 특성의 독특한 조합은 FCC HEA 매트릭스에서 현장에서 형성된 경질 탄화물의 균일한 분산으로 설명될 수 있습니다. 그러나 더 나은 강도 조합을 달성하려는 목표의 일환으로 세라믹 상 첨가로 인한 미세 구조 변화를 신중하게 연구하고 제어하여 S-5 및 S-6 복합재에서 발견되는 것과 같은 주조 결함을 방지해야 합니다. 연성. 성별.
이 연구의 결과는 다양한 구조 재료 및 HEA와 비교되었습니다: (a) 연신율 대 항복 강도62, (b) 특정 항복 응력 대 연성63 및 (c) 항복 강도 대 경도65.
SiC가 첨가된 HEA CoCrFeNi 시스템을 기반으로 한 일련의 HEA-세라믹 복합재의 미세 구조 및 기계적 특성이 연구되었으며 다음과 같은 결론이 도출되었습니다.
아크 용융 방법을 사용하여 CoCrFeNi HEA에 SiC를 첨가하면 고엔트로피 합금 복합재를 성공적으로 개발할 수 있습니다.
SiC는 아크 용융 중에 분해되어 탄화물, 규화물 및 흑연 상이 현장에서 형성되며, 그 존재 여부와 부피 분율은 베이스 HEA에 첨가된 SiC의 양에 따라 달라집니다.
HEA 복합재는 항복 강도 대 연신율 플롯에서 이전에 비어 있던 영역에 해당하는 특성을 포함하여 많은 우수한 기계적 특성을 나타냅니다. 6wt% SiC를 사용하여 만든 HEA 복합재의 항복강도는 37% 연성을 유지하면서 기본 HEA의 항복강도보다 8배 이상 높았습니다.
HEA 복합재의 경도와 항복 강도는 벌크 금속 유리(BMG) 범위에 있습니다.
연구 결과는 고엔트로피 합금 복합재가 고급 구조 응용을 위한 금속-기계적 특성의 탁월한 조합을 달성하는 유망한 접근 방식임을 시사합니다.