CoCrFeNi हे उत्कृष्ट लवचिकता परंतु मर्यादित सामर्थ्य असलेले चांगले-अभ्यास केलेले फेस-केंद्रित क्यूबिक (fcc) उच्च-एंट्रोपी मिश्र धातु (HEA) आहे. या अभ्यासाचा फोकस चाप वितळण्याच्या पद्धतीचा वापर करून वेगवेगळ्या प्रमाणात SiC जोडून अशा HEA चे सामर्थ्य आणि लवचिकता यांचे संतुलन सुधारण्यावर आहे. हे स्थापित केले गेले आहे की बेस HEA मध्ये क्रोमियमच्या उपस्थितीमुळे वितळताना SiC चे विघटन होते. अशाप्रकारे, क्रोमियमसह मुक्त कार्बनच्या परस्परसंवादामुळे क्रोमियम कार्बाइड्स तयार होतात, तर मुक्त सिलिकॉन बेस HEA मध्ये द्रावणात राहतो आणि/किंवा बेस HEA बनवणाऱ्या घटकांशी संवाद साधून सिलिसाइड्स तयार होतात. जसजसे SiC सामग्री वाढते, तसतसे मायक्रोस्ट्रक्चरचा टप्पा खालील क्रमात बदलतो: fcc → fcc + eutectic → fcc + क्रोमियम कार्बाइड फ्लेक्स → fcc + क्रोमियम कार्बाइड फ्लेक्स + सिलिसाइड → fcc + क्रोमियम कार्बाइड फ्लेक्स + सिलिसाइड + ग्रेफाइट बॉल्स / ग्रेफाइट फ्लेक्स. पारंपारिक मिश्रधातू आणि उच्च एंट्रॉपी मिश्र धातुंच्या तुलनेत परिणामी संमिश्र यांत्रिक गुणधर्मांची (60% पेक्षा जास्त लांबणीवर 277 MPa ते 6% लांबपणावर 2522 MPa पर्यंतची शक्ती) प्रदर्शित करतात. विकसित केलेले काही उच्च एन्ट्रॉपी कंपोझिट यांत्रिक गुणधर्मांचे उत्कृष्ट संयोजन दर्शवतात (उत्पन्न शक्ती 1200 MPa, वाढवणे 37%) आणि उत्पन्न ताण-लंबन आकृतीवर पूर्वी अप्राप्य प्रदेश व्यापतात. उल्लेखनीय वाढवण्याव्यतिरिक्त, HEA कंपोझिटची कडकपणा आणि उत्पन्न शक्ती बल्क मेटॅलिक ग्लासेस प्रमाणेच आहे. म्हणून, असे मानले जाते की उच्च-एंट्रोपी कंपोझिटचा विकास प्रगत संरचनात्मक अनुप्रयोगांसाठी यांत्रिक गुणधर्मांचे उत्कृष्ट संयोजन प्राप्त करण्यास मदत करू शकतो.
उच्च एंट्रोपी मिश्रधातूंचा विकास ही धातूविज्ञान 1,2 मध्ये एक आशादायक नवीन संकल्पना आहे. उच्च एंट्रॉपी मिश्र धातुंनी (HEA) अनेक प्रकरणांमध्ये भौतिक आणि यांत्रिक गुणधर्मांचा उत्कृष्ट संयोजन दर्शविला आहे, ज्यामध्ये उच्च थर्मल स्थिरता 3,4 सुपरप्लास्टिक लांबलचकता5,6 थकवा प्रतिरोध7,8 गंज प्रतिकार 9,10,11, उत्कृष्ट पोशाख प्रतिरोधक क्षमता 12,13,14 15 आणि ट्रायबोलॉजिकल गुणधर्म15,16,17 अगदी उच्च पातळीवर तापमान18,19,20,21,22 आणि कमी तापमानात यांत्रिक गुणधर्म 23,24,25. HEA मधील यांत्रिक गुणधर्मांचे उत्कृष्ट संयोजन सहसा चार मुख्य प्रभावांना दिले जाते, म्हणजे उच्च कॉन्फिगरेशनल एन्ट्रॉपी26, मजबूत जाळी विरूपण27, स्लो डिफ्यूजन28 आणि कॉकटेल प्रभाव29. HEA चे सहसा FCC, BCC आणि HCP प्रकार म्हणून वर्गीकरण केले जाते. FCC HEA मध्ये सामान्यतः Co, Cr, Fe, Ni आणि Mn सारखे संक्रमण घटक असतात आणि उत्कृष्ट लवचिकता (अगदी कमी तापमानात 25) पण कमी ताकद दाखवते. BCC HEA हे सहसा W, Mo, Nb, Ta, Ti आणि V सारख्या उच्च घनतेच्या घटकांनी बनलेले असते आणि त्यात खूप उच्च शक्ती असते परंतु कमी लवचिकता आणि कमी विशिष्ट ताकद असते30.
यांत्रिक गुणधर्मांचे सर्वोत्तम संयोजन मिळविण्यासाठी मशीनिंग, थर्मोमेकॅनिकल प्रक्रिया आणि घटकांच्या जोडणीवर आधारित HEA चे सूक्ष्म संरचनात्मक बदल तपासले गेले आहेत. CoCrFeMnNi FCC HEA उच्च-दाब टॉर्शनमुळे गंभीर प्लास्टिकच्या विकृतीच्या अधीन आहे, ज्यामुळे कडकपणा (520 HV) आणि ताकद (1950 MPa) मध्ये लक्षणीय वाढ होते, परंतु नॅनोक्रिस्टलाइन मायक्रोस्ट्रक्चर (~50 nm) च्या विकासामुळे मिश्रधातू ठिसूळ बनते. . असे आढळून आले आहे की CoCrFeMnNi HEAs मध्ये ट्विनिंग डक्टिटी (TWIP) आणि ट्रान्सफॉर्मेशन इंड्युस्ड प्लास्टिसिटी (TRIP) यांचा समावेश केल्याने चांगले कार्य कठोरता मिळते परिणामी उच्च तन्य लवचिकता येते, जरी वास्तविक तन्य शक्ती मूल्यांच्या खर्चावर. खाली (1124 MPa) 32. CoCrFeMnNi HEA मध्ये शॉट पेनिंग वापरून लेयर्ड मायक्रोस्ट्रक्चर (एक पातळ विकृत लेयर आणि एक न विकृत कोर असलेली) तयार केल्याने ताकद वाढली, परंतु ही सुधारणा सुमारे 700 MPa33 पर्यंत मर्यादित होती. सामर्थ्य आणि लवचिकता यांचा उत्तम संयोग असलेल्या सामग्रीच्या शोधात, नॉन-आयसोएटॉमिक घटकांच्या जोडणीचा वापर करून मल्टीफेस HEAs आणि eutectic HEA चा विकास देखील तपासण्यात आला आहे 34,35,36,37,38,39,40,41. खरंच, असे आढळून आले आहे की युटेक्टिक हाय-एंट्रॉपी मिश्र धातुंमध्ये कठोर आणि मऊ टप्प्यांचे बारीक वितरण केल्याने सामर्थ्य आणि लवचिकता 35,38,42,43 यांचे तुलनेने चांगले संयोजन होऊ शकते.
CoCrFeNi प्रणाली ही एक व्यापकपणे अभ्यासलेली सिंगल-फेज FCC हाय-एंट्रॉपी मिश्र धातु आहे. ही प्रणाली कमी आणि उच्च दोन्ही तापमानांवर जलद काम कडक करण्याचे गुणधर्म ४४ आणि उत्कृष्ट लवचिकता ४५,४६ प्रदर्शित करते. त्याची तुलनेने कमी ताकद (~300 MPa)47,48 सुधारण्यासाठी विविध प्रयत्न केले गेले आहेत ज्यात धान्य शुद्धीकरण25, विषम मायक्रोस्ट्रक्चर49, पर्जन्यमान 50,51,52 आणि परिवर्तन-प्रेरित प्लास्टिसिटी (TRIP)53 यांचा समावेश आहे. गंभीर परिस्थितीत कोल्ड ड्रॉइंगद्वारे कास्ट फेस-केंद्रित क्यूबिक HEA CoCrFeNi चे धान्य परिष्करण सुमारे 300 MPa47.48 ते 1.2 GPa25 पर्यंत सामर्थ्य वाढवते, परंतु 60% हून अधिक 12.6% पर्यंत लवचिकता कमी करते. CoCrFeNi च्या HEA मध्ये Al ची जोडणी केल्याने एक विषम सूक्ष्म संरचना तयार झाली, ज्यामुळे त्याची उत्पादन शक्ती 786 MPa पर्यंत वाढली आणि त्याची सापेक्ष वाढ सुमारे 22% 49 झाली. CoCrFeNi HEA ला Ti आणि Al सोबत जोडून वर्षाव तयार केला गेला, ज्यामुळे पर्जन्य मजबूत होते, त्याची उत्पादन शक्ती 645 MPa आणि वाढून 39%51 पर्यंत वाढली. TRIP यंत्रणा (चेहरा-केंद्रित क्यूबिक → हेक्साहेड्रल मार्टेन्सिटिक ट्रान्सफॉर्मेशन) आणि ट्विनिंगमुळे CoCrFeNi HEA ची तन्य शक्ती 841 MPa पर्यंत वाढली आणि ब्रेकच्या वेळी 76%53 पर्यंत वाढ झाली.
उच्च एन्ट्रॉपी कंपोझिट विकसित करण्यासाठी HEA फेस सेंटर्ड क्यूबिक मॅट्रिक्समध्ये सिरेमिक मजबुतीकरण जोडण्याचा प्रयत्न देखील केला गेला आहे जे सामर्थ्य आणि लवचिकता यांचे उत्तम संयोजन प्रदर्शित करू शकतात. व्हॅक्यूम आर्क मेल्टिंग ४४, मेकॅनिकल अलॉयिंग ४५,४६,४७,४८,५२,५३, स्पार्क प्लाझ्मा सिंटरिंग ४६,५१,५२, व्हॅक्यूम हॉट प्रेसिंग ४५, हॉट आयसोस्टॅटिक प्रेसिंग ४७,४८ आणि डेव्हलपमेंट मॅन्युरिंग प्रोसेसिंगद्वारे उच्च एन्ट्रॉपी असलेल्या संमिश्रांवर प्रक्रिया केली गेली आहे. 50. कार्बाइड्स, ऑक्साइड्स आणि नायट्राइड्स जसे की WC44, 45, 46, Al2O347, SiC48, TiC43, 49, TiN50 आणि Y2O351 यांचा वापर HEA कंपोझिटच्या विकासामध्ये सिरॅमिक मजबुतीकरण म्हणून केला गेला आहे. मजबूत आणि टिकाऊ HEA संमिश्र डिझाइन आणि विकसित करताना योग्य HEA मॅट्रिक्स आणि सिरॅमिक निवडणे विशेषतः महत्वाचे आहे. या कामात, CoCrFeNi ही मॅट्रिक्स सामग्री म्हणून निवडली गेली. CoCrFeNi HEA मध्ये SiC चे विविध प्रमाण जोडले गेले आणि त्यांचा सूक्ष्म संरचना, फेज रचना आणि यांत्रिक गुणधर्मांवर होणारा परिणाम अभ्यासण्यात आला.
उच्च-शुद्धता धातू Co, Cr, Fe, आणि Ni (99.95 wt %) आणि SiC पावडर (शुद्धता 99%, आकार -400 जाळी) प्राथमिक कणांच्या रूपात HEA संमिश्र निर्मितीसाठी कच्चा माल म्हणून वापरण्यात आले. CoCrFeNi HEA ची आयसोएटॉमिक रचना प्रथम अर्धगोलाकार वॉटर-कूल्ड कॉपर मोल्डमध्ये ठेवली गेली आणि नंतर चेंबर 3·10-5 mbar पर्यंत रिकामा करण्यात आला. गैर-उपभोग्य टंगस्टन इलेक्ट्रोडसह चाप वितळण्यासाठी आवश्यक व्हॅक्यूम साध्य करण्यासाठी उच्च शुद्धता आर्गॉन वायू सादर केला जातो. चांगले एकजिनसीपणा सुनिश्चित करण्यासाठी परिणामी पिंड उलटे आणि पाच वेळा पुन्हा वितळले जातात. परिणामी इक्विएटॉमिक CoCrFeNi बटणांमध्ये ठराविक प्रमाणात SiC जोडून विविध रचनांचे उच्च-एंट्रोपी कंपोझिट तयार केले गेले, जे प्रत्येक बाबतीत पाच पट उलट्या आणि रीमेल्टिंगद्वारे पुन्हा एकरूप झाले. पुढील चाचणी आणि वैशिष्ट्यीकरणासाठी EDM वापरून परिणामी कंपोझिटमधील मोल्ड केलेले बटण कापले गेले. मायक्रोस्ट्रक्चरल अभ्यासासाठी नमुने मानक मेटॅलोग्राफिक पद्धतींनुसार तयार केले गेले. प्रथम, परिमाणवाचक फेज विश्लेषणासाठी लेइका इमेज ॲनालिसिस (LAS फेज एक्सपर्ट) या सॉफ्टवेअरसह प्रकाश सूक्ष्मदर्शक (Leica Microscope DM6M) वापरून नमुने तपासण्यात आले. फेज विश्लेषणासाठी सुमारे 27,000 µm2 एकूण क्षेत्रफळ असलेल्या वेगवेगळ्या भागात घेतलेल्या तीन प्रतिमा निवडल्या गेल्या. रासायनिक रचना विश्लेषण आणि घटक वितरण विश्लेषणासह पुढील तपशीलवार सूक्ष्म संरचना अभ्यास, स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोप (JEOL JSM-6490LA) वर ऊर्जा पसरवणारा स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDS) विश्लेषण प्रणालीसह सुसज्ज करण्यात आला. क्ष-किरण विवर्तन प्रणाली (ब्रुकर D2 फेज शिफ्टर) वापरून ०.०४° पायरी आकाराचे CuKα स्त्रोत वापरून HEA संमिश्राच्या क्रिस्टल संरचनेचे वैशिष्ट्यीकरण केले गेले. विकर्स मायक्रोहार्डनेस चाचण्या आणि कॉम्प्रेशन चाचण्या वापरून एचईए कंपोझिटच्या यांत्रिक गुणधर्मांवर सूक्ष्म संरचनात्मक बदलांच्या प्रभावाचा अभ्यास केला गेला. कडकपणा चाचणीसाठी, प्रति नमुन्यासाठी किमान 10 इंडेंटेशन वापरून 500 N चा भार 15 s साठी लागू केला जातो. खोलीच्या तपमानावर HEA कंपोझिटच्या संक्षेप चाचण्या आयताकृती नमुन्यांवर (7 मिमी × 3 मिमी × 3 मिमी) शिमडझू 50KN युनिव्हर्सल टेस्टिंग मशीन (UTM) वर 0.001/s च्या प्रारंभिक स्ट्रेन दराने केल्या गेल्या.
उच्च एन्ट्रॉपी कंपोझिट, ज्याला यापुढे S-1 ते S-6 असे नमुने म्हणून संबोधले जाते, ते CoCrFeNi मॅट्रिक्समध्ये 3%, 6%, 9%, 12%, 15% आणि 17% SiC (सर्व वजनाने%) जोडून तयार केले गेले. . अनुक्रमे संदर्भ नमुना ज्यामध्ये कोणताही SiC जोडला गेला नाही तो यापुढे नमुना S-0 म्हणून संदर्भित केला जाईल. विकसित HEA कंपोझिटचे ऑप्टिकल मायक्रोग्राफ अंजीर मध्ये दर्शविले आहेत. 1, जेथे, विविध ऍडिटीव्हच्या जोडणीमुळे, CoCrFeNi HEA ची सिंगल-फेज मायक्रोस्ट्रक्चर विविध आकारविज्ञान, आकार आणि वितरणासह अनेक टप्प्यांचा समावेश असलेल्या मायक्रोस्ट्रक्चरमध्ये रूपांतरित झाले. रचना मध्ये SiC ची रक्कम. एलएएस फेज एक्सपर्ट सॉफ्टवेअर वापरून प्रतिमा विश्लेषणातून प्रत्येक टप्प्याचे प्रमाण निश्चित केले गेले. आकृती 1 मधील इनसेट (वर उजवीकडे) या विश्लेषणासाठी उदाहरण क्षेत्र तसेच प्रत्येक फेज घटकासाठी क्षेत्रफळ दर्शविते.
विकसित हाय-एंट्रॉपी कंपोझिटचे ऑप्टिकल मायक्रोग्राफ: (a) C-1, (b) C-2, (c) C-3, (d) C-4, (e) C-5 आणि (f) C- 6. इनसेट LAS फेज एक्स्पर्ट सॉफ्टवेअर वापरून कॉन्ट्रास्ट-आधारित इमेज फेज विश्लेषण परिणामांचे उदाहरण दाखवते.
अंजीर मध्ये दाखवल्याप्रमाणे. 1a, C-1 कंपोझिटच्या मॅट्रिक्स व्हॉल्यूम्समध्ये एक युटेक्टिक मायक्रोस्ट्रक्चर तयार होते, जेथे मॅट्रिक्स आणि युटेक्टिक टप्प्यांचे प्रमाण अनुक्रमे 87.9 ± 0.47% आणि 12.1% ± 0.51% असे अनुमानित आहे. अंजीर 1b मध्ये दर्शविलेल्या संमिश्र (C-2) मध्ये, घनीकरणादरम्यान युटेक्टिक प्रतिक्रियेची कोणतीही चिन्हे नाहीत आणि C-1 संमिश्र पेक्षा पूर्णपणे भिन्न सूक्ष्म रचना दिसून येते. C-2 कंपोझिटची मायक्रोस्ट्रक्चर तुलनेने बारीक आहे आणि त्यात पातळ प्लेट्स (कार्बाइड्स) असतात ज्या मॅट्रिक्स फेज (fcc) मध्ये समान प्रमाणात वितरीत केल्या जातात. मॅट्रिक्स आणि कार्बाइडचे व्हॉल्यूम अपूर्णांक अनुक्रमे 72 ± 1.69% आणि 28 ± 1.69% अंदाजे आहेत. मॅट्रिक्स आणि कार्बाइड व्यतिरिक्त, C-3 संमिश्र मध्ये एक नवीन टप्पा (सिलिसाईड) आढळला आहे, आकृती 1c मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, जेथे अशा सिलिसाइड, कार्बाइड आणि मॅट्रिक्स टप्प्यांचे खंड अपूर्णांक अंदाजे 26.5% ± अंदाजे आहेत. अनुक्रमे 0.41%, 25.9 ± 0.53 आणि 47.6 ± 0.34. C-4 कंपोझिटच्या मायक्रोस्ट्रक्चरमध्ये आणखी एक नवीन टप्पा (ग्रेफाइट) देखील दिसून आला; एकूण चार टप्पे ओळखले गेले. ग्रेफाइट टप्प्यात ऑप्टिकल प्रतिमांमध्ये गडद कॉन्ट्रास्टसह एक वेगळा गोलाकार आकार असतो आणि तो फक्त कमी प्रमाणात असतो (अंदाजे आकारमानाचा अंश केवळ 0.6 ± 0.30% आहे). C-5 आणि C-6 संमिश्रांमध्ये, फक्त तीन टप्पे ओळखले गेले आणि या संमिश्रांमध्ये गडद विरोधाभासी ग्रेफाइट टप्पा फ्लेक्सच्या स्वरूपात दिसून येतो. कंपोझिट S-5 मधील ग्रेफाइट फ्लेक्सच्या तुलनेत, कंपोझिट S-6 मधील ग्रेफाइट फ्लेक्स रुंद, लहान आणि अधिक नियमित आहेत. ग्रॅफाइट सामग्रीमध्ये देखील संबंधित वाढ C-5 संमिश्र मधील 14.9 ± 0.85% वरून C-6 संमिश्रात सुमारे 17.4 ± 0.55% पर्यंत दिसून आली.
HEA संमिश्र मधील प्रत्येक टप्प्यातील तपशीलवार सूक्ष्म संरचना आणि रासायनिक रचना तपासण्यासाठी, SEM वापरून नमुने तपासले गेले आणि EMF पॉइंट विश्लेषण आणि रासायनिक मॅपिंग देखील केले गेले. संमिश्र C-1 चे परिणाम अंजीर मध्ये दर्शविले आहेत. 2, जेथे मुख्य मॅट्रिक्स टप्प्याचे क्षेत्र वेगळे करणाऱ्या युटेक्टिक मिश्रणांची उपस्थिती स्पष्टपणे दिसून येते. संमिश्र C-1 चा रासायनिक नकाशा अंजीर 2c मध्ये दर्शविला आहे, जेथे Co, Fe, Ni आणि Si हे मॅट्रिक्स टप्प्यात समान रीतीने वितरीत केलेले दिसतात. तथापि, बेस HEA च्या इतर घटकांच्या तुलनेत मॅट्रिक्स टप्प्यात Cr ची थोडीशी मात्रा आढळून आली, जे सूचित करते की Cr मॅट्रिक्सच्या बाहेर पसरला आहे. SEM प्रतिमेतील पांढऱ्या युटेक्टिक टप्प्याची रचना क्रोमियम आणि कार्बनने समृद्ध आहे, हे दर्शविते की ते क्रोमियम कार्बाइड आहे. मॅट्रिक्समधील क्रोमियमची कमी सामग्री आणि क्रोमियम-समृद्ध टप्पे असलेल्या युटेक्टिक मिश्रणांची उपस्थिती यासह मायक्रोस्ट्रक्चरमध्ये वेगळ्या SiC कणांची अनुपस्थिती, वितळताना SiC चे संपूर्ण विघटन दर्शवते. SiC च्या विघटनाच्या परिणामी, सिलिकॉन मॅट्रिक्स टप्प्यात विरघळते आणि मुक्त कार्बन क्रोमियमशी संवाद साधून क्रोमियम कार्बाइड्स तयार करतात. जसे पाहिले जाऊ शकते, EMF पद्धतीद्वारे केवळ कार्बन गुणात्मकरित्या निर्धारित केले गेले होते आणि क्ष-किरण विवर्तन नमुन्यांमधील वैशिष्ट्यपूर्ण कार्बाईड शिखरांची ओळख करून फेज निर्मितीची पुष्टी केली गेली.
(a) नमुना S-1 ची SEM प्रतिमा, (b) वाढलेली प्रतिमा, (c) घटक नकाशा, (d) सूचित स्थानांवर EMF परिणाम.
संमिश्र C-2 चे विश्लेषण अंजीर मध्ये दर्शविले आहे. 3. ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपीमध्ये दिसण्यासारखेच, SEM परीक्षेत फक्त दोन टप्पे असलेली एक बारीक रचना दिसून आली, ज्यामध्ये पातळ लॅमेलर फेजची उपस्थिती संपूर्ण संरचनेत समान रीतीने वितरीत केली गेली. मॅट्रिक्स फेज, आणि युटेक्टिक फेज नाही. लॅमेलर टप्प्यातील घटक वितरण आणि ईएमएफ पॉइंट विश्लेषणाने या टप्प्यात सीआर (पिवळा) आणि सी (हिरवा) ची तुलनेने उच्च सामग्री उघड केली, जी पुन्हा वितळताना SiC चे विघटन आणि क्रोमियम प्रभावासह सोडलेल्या कार्बनचा परस्परसंवाद दर्शवते. . VEA मॅट्रिक्स एक लॅमेलर कार्बाइड फेज बनवते. घटकांचे वितरण आणि मॅट्रिक्स टप्प्याचे बिंदू विश्लेषण दर्शविते की बहुतेक कोबाल्ट, लोह, निकेल आणि सिलिकॉन मॅट्रिक्स टप्प्यात उपस्थित आहेत.
(a) नमुना S-2 ची SEM प्रतिमा, (b) वाढलेली प्रतिमा, (c) घटक नकाशा, (d) सूचित स्थानांवर EMF परिणाम.
C-3 कंपोझिटच्या SEM अभ्यासातून कार्बाइड आणि मॅट्रिक्स टप्प्यांव्यतिरिक्त नवीन टप्प्यांची उपस्थिती दिसून आली. मूलभूत नकाशा (Fig. 4c) आणि EMF बिंदू विश्लेषण (Fig. 4d) दर्शविते की नवीन टप्पा निकेल, कोबाल्ट आणि सिलिकॉनने समृद्ध आहे.
(a) नमुना S-3 ची SEM प्रतिमा, (b) वाढलेली प्रतिमा, (c) घटक नकाशा, (d) सूचित स्थानांवर EMF परिणाम.
C-4 संमिश्राच्या SEM आणि EMF विश्लेषणाचे परिणाम अंजीर मध्ये दर्शविले आहेत. 5. संमिश्र C-3 मध्ये निरीक्षण केलेल्या तीन टप्प्यांव्यतिरिक्त, ग्रेफाइट नोड्यूलची उपस्थिती देखील आढळली. सिलिकॉन-समृद्ध टप्प्याचा खंड अंश देखील C-3 संमिश्र पेक्षा जास्त आहे.
(a) नमुना S-4 ची SEM प्रतिमा, (b) वाढलेली प्रतिमा, (c) घटक नकाशा, (d) सूचित स्थानांवर EMF परिणाम.
कंपोझिट S-5 आणि S-6 च्या SEM आणि EMF स्पेक्ट्राचे परिणाम अनुक्रमे आकृती 1 आणि 2. 6 आणि 7 मध्ये दर्शविले आहेत. थोड्या संख्येच्या गोलांव्यतिरिक्त, ग्रेफाइट फ्लेक्सची उपस्थिती देखील दिसून आली. C-6 संमिश्र मधील ग्रेफाइट फ्लेक्सची संख्या आणि सिलिकॉन-युक्त अवस्थेचा खंड अंश दोन्ही C-5 संमिश्र पेक्षा जास्त आहेत.
(a) नमुना C-5 ची SEM प्रतिमा, (b) विस्तारित दृश्य, (c) मूलभूत नकाशा, (d) सूचित स्थानांवर EMF परिणाम.
(a) नमुना S-6 ची SEM प्रतिमा, (b) वाढलेली प्रतिमा, (c) घटक नकाशा, (d) सूचित केलेल्या ठिकाणी EMF परिणाम.
XRD मोजमाप वापरून HEA कंपोझिटचे क्रिस्टल स्ट्रक्चर वैशिष्ट्यीकरण देखील केले गेले. परिणाम आकृती 8 मध्ये दर्शविला आहे. बेस WEA (S-0) च्या विवर्तन पॅटर्नमध्ये, फक्त fcc टप्प्याशी संबंधित शिखरे दृश्यमान आहेत. C-1, C-2 आणि C-3 संमिश्रांच्या एक्स-रे डिफ्रॅक्शन पॅटर्नमध्ये क्रोमियम कार्बाइड (Cr7C3) शी संबंधित अतिरिक्त शिखरांची उपस्थिती दिसून आली आणि C-3 आणि C-4 नमुन्यांसाठी त्यांची तीव्रता कमी होती, जे सूचित करते ते देखील या नमुन्यांसाठी डेटा EMF सह. S-3 आणि S-4 नमुन्यांसाठी Co/Ni सिलिसाईडशी संबंधित शिखरे पाहण्यात आली, पुन्हा आकृती 2 आणि 3 मध्ये दर्शविलेल्या EDS मॅपिंग परिणामांशी सुसंगत. आकृती 3 आणि आकृती 4 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे. 5 आणि S-6 शिखरे पाहिली गेली. ग्रेफाइटशी संबंधित.
विकसित कंपोझिटची मायक्रोस्ट्रक्चरल आणि क्रिस्टलोग्राफिक दोन्ही वैशिष्ट्ये जोडलेल्या SiC चे विघटन दर्शवतात. हे VEA मॅट्रिक्समध्ये क्रोमियमच्या उपस्थितीमुळे आहे. क्रोमियमला कार्बन 54.55 साठी खूप मजबूत आत्मीयता आहे आणि मॅट्रिक्सच्या क्रोमियम सामग्रीमध्ये आढळून आलेल्या घटाने दर्शविल्याप्रमाणे, कार्बाईड तयार करण्यासाठी मुक्त कार्बनसह प्रतिक्रिया देते. SiC56 च्या पृथक्करणामुळे Si fcc टप्प्यात जातो. अशाप्रकारे, बेस HEA मध्ये SiC ची भर घातल्याने कार्बाइड फेजचे प्रमाण आणि मायक्रोस्ट्रक्चरमध्ये फ्री Si चे प्रमाण वाढले. असे आढळून आले आहे की हे अतिरिक्त Si मॅट्रिक्समध्ये कमी एकाग्रतेमध्ये (संमिश्र S-1 आणि S-2 मध्ये) जमा केले जाते, तर उच्च सांद्रतेमध्ये (संमिश्र S-3 ते S-6) अतिरिक्त कोबाल्ट जमा होते/ होते. निकेल सिलिसाइड. थेट संश्लेषण उच्च-तापमान कॅलरीमेट्रीद्वारे प्राप्त Co आणि Ni सिलिसाइड्सच्या निर्मितीची मानक एन्थॅल्पी, Co2Si, CoSi आणि CoSi2 साठी अनुक्रमे -37.9 ± 2.0, -49.3 ± 1.3, -34.9 ± 1.1 kJ mol -1 आहे. मूल्ये आहेत – 50.6 ± 1.7 आणि – Ni2Si आणि Ni5Si2 साठी अनुक्रमे 45.1 ± 1.4 kJ mol-157. ही मूल्ये SiC च्या निर्मितीच्या उष्णतेपेक्षा कमी आहेत, हे दर्शविते की SiC चे पृथक्करण ज्यामुळे Co/Ni सिलिसाइड्स तयार होतात ते ऊर्जावान अनुकूल आहे. S-5 आणि S-6 या दोन्ही संमिश्रांमध्ये, अतिरिक्त मुक्त सिलिकॉन उपस्थित होते, जे सिलीसाइडच्या निर्मितीच्या पलीकडे शोषले गेले. हे फ्री सिलिकॉन पारंपारिक स्टील्स ५८ मध्ये ग्राफिटायझेशनमध्ये योगदान देत असल्याचे आढळले आहे.
HEA वर आधारित विकसित सिरेमिक-प्रबलित कंपोझिटचे यांत्रिक गुणधर्म कॉम्प्रेशन चाचण्या आणि कडकपणा चाचण्यांद्वारे तपासले जातात. विकसित कंपोझिटचे ताण-ताण वक्र अंजीर मध्ये दर्शविले आहेत. 9a, आणि अंजीर 9b मध्ये विशिष्ट उत्पन्न शक्ती, उत्पन्नाची ताकद, कडकपणा आणि विकसित कंपोझिटचा विस्तार यांच्यातील स्कॅटरप्लॉट दर्शवितो.
(a) संकुचित ताण वक्र आणि (b) विशिष्ट उत्पन्न ताण, उत्पन्न शक्ती, कडकपणा आणि वाढ दर्शवणारे स्कॅटरप्लॉट्स. लक्षात घ्या की फक्त S-0 ते S-4 नमुने दाखवले आहेत, कारण S-5 आणि S-6 नमुन्यांमध्ये लक्षणीय कास्टिंग दोष आहेत.
अंजीर मध्ये पाहिल्याप्रमाणे. 9, बेस VES (C-0) साठी उत्पादन शक्ती 136 MPa वरून C-4 संमिश्रासाठी 2522 MPa पर्यंत वाढली. मूलभूत डब्ल्यूपीपीच्या तुलनेत, S-2 संमिश्राने सुमारे 37% अयशस्वी होण्यासाठी खूप चांगला विस्तार दर्शविला आणि लक्षणीय उच्च उत्पन्न शक्ती मूल्ये (1200 MPa) देखील दर्शविली. या कंपोझिटची ताकद आणि लवचिकता यांचे उत्कृष्ट संयोजन संपूर्ण मायक्रोस्ट्रक्चरमधील सुधारणेमुळे आहे, ज्यामध्ये संपूर्ण मायक्रोस्ट्रक्चरमध्ये बारीक कार्बाइड लॅमेलेचे एकसमान वितरण समाविष्ट आहे, ज्यामुळे विस्थापन हालचाली रोखणे अपेक्षित आहे. C-3 आणि C-4 कंपोझिटची उत्पादन शक्ती अनुक्रमे 1925 MPa आणि 2522 MPa आहे. सिमेंट कार्बाइड आणि सिलिसाइड टप्प्यांच्या उच्च व्हॉल्यूम अंशांद्वारे या उच्च उत्पादन शक्तींचे स्पष्टीकरण केले जाऊ शकते. तथापि, या टप्प्यांच्या उपस्थितीमुळे केवळ 7% च्या ब्रेकमध्ये वाढ झाली. बेस कंपोझिट CoCrFeNi HEA (S-0) आणि S-1 चे ताण-तणाव वक्र उत्तल आहेत, जे ट्विनिंग इफेक्ट किंवा TRIP59,60 च्या सक्रियतेचे संकेत देतात. नमुना S-1 च्या तुलनेत, नमुना S-2 च्या स्ट्रेस-स्ट्रेन वक्रमध्ये सुमारे 10.20% च्या स्ट्रेनवर अवतल आकार असतो, याचा अर्थ असा होतो की या विकृत अवस्थेत नमुन्याचा मुख्य विकृती मोड 60,61 आहे. . तथापि, या नमुन्यातील कडक होण्याचा दर मोठ्या ताणाच्या श्रेणीवर उच्च राहतो आणि उच्च ताणांवर उत्तलतेचे संक्रमण देखील दृश्यमान आहे (जरी हे स्नेहन संकुचित भारांच्या अपयशामुळे होते हे नाकारता येत नाही). ). मायक्रोस्ट्रक्चरमध्ये कार्बाईड्स आणि सिलिसाइड्सच्या उच्च व्हॉल्यूम अपूर्णांकांच्या उपस्थितीमुळे C-3 आणि C-4 मिश्रित प्लॅस्टिकिटी फक्त मर्यादित आहेत. कंपोझिटच्या या नमुन्यांवर महत्त्वपूर्ण कास्टिंग दोषांमुळे C-5 आणि C-6 कंपोझिटच्या नमुन्यांच्या कॉम्प्रेशन चाचण्या केल्या गेल्या नाहीत (चित्र 10 पहा).
कंपोझिट C-5 आणि C-6 च्या नमुन्यांमध्ये कास्टिंग दोषांचे स्टिरिओमायक्रोग्राफ (लाल बाणांनी दर्शविलेले).
VEA कंपोझिटची कडकपणा मोजण्याचे परिणाम अंजीर मध्ये दर्शविले आहेत. 9ब. बेस WEA ची कठोरता 130±5 HV आहे, आणि S-1, S-2, S-3 आणि S-4 नमुने 250±10 HV, 275±10 HV, 570±20 HV आणि कठोरता मूल्ये आहेत. 755±20 HV. कडकपणातील वाढ हे कॉम्प्रेशन चाचण्यांमधून मिळालेल्या उत्पन्नाच्या सामर्थ्यामधील बदलाशी चांगले सहमत होते आणि ते संमिश्रातील घन पदार्थांच्या वाढीशी संबंधित होते. प्रत्येक नमुन्याच्या लक्ष्य रचनावर आधारित गणना केलेली विशिष्ट उत्पन्न शक्ती देखील अंजीर मध्ये दर्शविली आहे. 9ब. सर्वसाधारणपणे, उत्पादन शक्ती (1200 MPa), कडकपणा (275 ± 10 HV), आणि अपयशापर्यंत सापेक्ष वाढ (~37%) यांचे सर्वोत्तम संयोजन संमिश्र C-2 साठी पाहिले जाते.
विविध वर्गांच्या सामग्रीसह उत्पादन शक्ती आणि विकसित संमिश्र सापेक्ष वाढीची तुलना आकृती 11 अ मध्ये दर्शविली आहे. या अभ्यासात CoCrFeNi वर आधारित संमिश्रांनी कोणत्याही तणावाच्या पातळीवर उच्च वाढ दर्शविली. हे देखील पाहिले जाऊ शकते की या अभ्यासात विकसित केलेल्या HEA कंपोझिटचे गुणधर्म प्लॉट विरूद्ध उत्पन्न शक्तीच्या प्लॉटच्या पूर्वीच्या बिनव्याप्त प्रदेशात आहेत. याशिवाय, विकसित कंपोझिटमध्ये सामर्थ्य (277 MPa, 1200 MPa, 1925 MPa आणि 2522 MPa) आणि विस्तार (>60%, 37%, 7.3% आणि 6.19%) च्या संयोजनांची विस्तृत श्रेणी आहे. प्रगत अभियांत्रिकी अनुप्रयोग ६३,६४ साठी सामग्रीच्या निवडीमध्ये उत्पन्नाची ताकद देखील एक महत्त्वाचा घटक आहे. या संदर्भात, सध्याच्या आविष्कारातील HEA संमिश्र उत्पादन शक्ती आणि वाढीचे उत्कृष्ट संयोजन प्रदर्शित करतात. याचे कारण असे की कमी घनता SiC जोडल्याने उच्च विशिष्ट उत्पादन शक्ती असलेल्या कंपोझिटमध्ये परिणाम होतो. HEA कंपोझिटची विशिष्ट उत्पन्न शक्ती आणि वाढवणे HEA FCC आणि रीफ्रॅक्टरी HEA प्रमाणेच आहे, जसे की चित्र 11b मध्ये दाखवले आहे. विकसित कंपोझिटची कडकपणा आणि उत्पन्नाची ताकद मोठ्या धातूच्या चष्म्यांप्रमाणेच आहे65 (चित्र 11c). मॅसिव्ह मेटॅलिक ग्लासेस (BMS) उच्च कडकपणा आणि उत्पन्न शक्ती द्वारे वैशिष्ट्यीकृत आहेत, परंतु त्यांची वाढ मर्यादित आहे 66,67. तथापि, या अभ्यासात विकसित झालेल्या काही HEA संमिश्रांची कडकपणा आणि उत्पन्न शक्ती देखील लक्षणीय वाढ दर्शविते. अशाप्रकारे, असा निष्कर्ष काढण्यात आला की VEA ने विकसित केलेल्या कंपोझिटमध्ये विविध संरचनात्मक अनुप्रयोगांसाठी यांत्रिक गुणधर्मांचे एक अद्वितीय आणि मागणी केलेले संयोजन आहे. यांत्रिक गुणधर्मांचे हे अद्वितीय संयोजन FCC HEA मॅट्रिक्समध्ये तयार केलेल्या कठोर कार्बाइड्सच्या एकसमान फैलावद्वारे स्पष्ट केले जाऊ शकते. तथापि, सामर्थ्याचे चांगले संयोजन साध्य करण्याच्या उद्दिष्टाचा एक भाग म्हणून, सिरॅमिक टप्प्यांच्या जोडणीमुळे होणारे सूक्ष्म संरचनात्मक बदल काळजीपूर्वक अभ्यासले पाहिजेत आणि कास्टिंग दोष टाळण्यासाठी नियंत्रित केले पाहिजेत, जसे की S-5 आणि S-6 कंपोझिटमध्ये आढळलेले, आणि लवचिकता लिंग
या अभ्यासाच्या परिणामांची तुलना विविध संरचनात्मक सामग्री आणि HEAs यांच्याशी करण्यात आली: (a) वाढ विरुद्ध उत्पन्न शक्ती62, (b) विशिष्ट उत्पन्नाचा ताण विरुद्ध लवचिकता 63 आणि (c) उत्पन्न शक्ती विरुद्ध कठोरता65.
SIC च्या व्यतिरिक्त HEA CoCrFeNi प्रणालीवर आधारित HEA-सिरेमिक कंपोझिटच्या मालिकेतील सूक्ष्म संरचना आणि यांत्रिक गुणधर्मांचा अभ्यास केला गेला आणि पुढील निष्कर्ष काढले गेले:
चाप वितळण्याच्या पद्धतीचा वापर करून CoCrFeNi HEA मध्ये SiC जोडून उच्च एन्ट्रॉपी मिश्र धातुचे मिश्रण यशस्वीरित्या विकसित केले जाऊ शकते.
चाप वितळताना SiC विघटित होते, ज्यामुळे कार्बाईड, सिलिसाईड आणि ग्रेफाइट टप्प्याटप्प्याने तयार होतात, ज्याची उपस्थिती आणि व्हॉल्यूम अंश हे बेस HEA मध्ये जोडलेल्या SiC च्या प्रमाणात अवलंबून असतात.
HEA कंपोझिट अनेक उत्कृष्ट यांत्रिक गुणधर्म प्रदर्शित करतात, ज्यात गुणधर्म पूर्वी बिनव्याप्त क्षेत्रामध्ये उत्पन्न शक्ती विरूद्ध वाढवण्याच्या प्लॉटवर येतात. 6 wt% SiC वापरून बनवलेल्या HEA कंपोझिटची उत्पादन शक्ती 37% लवचिकता राखून बेस HEA पेक्षा आठ पट जास्त होती.
HEA कंपोझिटची कडकपणा आणि उत्पन्न शक्ती बल्क मेटॅलिक ग्लासेस (BMG) च्या श्रेणीमध्ये आहे.
निष्कर्ष असे सूचित करतात की उच्च-एंट्रोपी मिश्र धातु संमिश्र प्रगत संरचनात्मक अनुप्रयोगांसाठी धातू-यांत्रिक गुणधर्मांचे उत्कृष्ट संयोजन साध्य करण्यासाठी एक आशादायक दृष्टिकोन दर्शवितात.
पोस्ट वेळ: जुलै-12-2023