วัสดุผสม HEA ที่เสริมด้วยเซรามิคมีการผสมผสานคุณสมบัติทางกลที่ยอดเยี่ยม

CoCrFeNi เป็นโลหะผสมที่มีเอนโทรปีสูง (HEA) ลูกบาศก์ (fcc) ที่มีการศึกษามาเป็นอย่างดี ซึ่งมีความเหนียวเป็นเลิศ แต่มีความแข็งแรงจำกัด การศึกษานี้มุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงความสมดุลของความแข็งแรงและความเหนียวของ HEA ดังกล่าวโดยการเติม SiC ในปริมาณที่แตกต่างกันโดยใช้วิธีการหลอมอาร์ก เป็นที่ยอมรับกันว่าการมีโครเมียมอยู่ในฐาน HEA ทำให้เกิดการสลายตัวของ SiC ในระหว่างการหลอมละลาย ดังนั้น ปฏิกิริยาระหว่างคาร์บอนอิสระกับโครเมียมทำให้เกิดโครเมียมคาร์ไบด์ในแหล่งกำเนิด ในขณะที่ซิลิคอนอิสระยังคงอยู่ในสารละลายใน HEA ฐาน และ/หรือมีปฏิกิริยากับองค์ประกอบที่ประกอบเป็น HEA ฐานเพื่อก่อตัวเป็นซิลิไซด์ เมื่อปริมาณ SiC เพิ่มขึ้น เฟสของโครงสร้างจุลภาคจะเปลี่ยนตามลำดับต่อไปนี้: fcc → fcc + ยูเทคติก → fcc + เกล็ดโครเมียมคาร์ไบด์ → fcc + เกล็ดโครเมียมคาร์ไบด์ + ซิลิไซด์ → fcc + เกล็ดโครเมียมคาร์ไบด์ + ซิลิไซด์ + ก้อนกราไฟท์ / เกล็ดกราไฟท์ คอมโพสิตที่ได้จะแสดงคุณสมบัติเชิงกลที่หลากหลายมาก (ความแข็งแรงของผลผลิตตั้งแต่ 277 MPa ที่การยืดตัวมากกว่า 60% ถึง 2522 MPa ที่การยืดตัวที่ 6%) เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสมทั่วไปและโลหะผสมเอนโทรปีสูง คอมโพสิตเอนโทรปีสูงบางตัวที่พัฒนาขึ้นแสดงการผสมผสานที่ยอดเยี่ยมของคุณสมบัติเชิงกล (ความแข็งแรงของผลผลิต 1200 MPa, การยืดตัว 37%) และครอบครองพื้นที่ที่ไม่สามารถบรรลุได้ก่อนหน้านี้บนแผนภาพการยืดตัวของความเค้น-ความเค้นของผลผลิต นอกจากการยืดตัวที่โดดเด่นแล้ว ความแข็งและความแข็งแรงของผลผลิตของคอมโพสิต HEA ยังอยู่ในช่วงเดียวกับแก้วโลหะเทกอง ดังนั้นจึงเชื่อกันว่าการพัฒนาคอมโพสิตเอนโทรปีสูงสามารถช่วยให้เกิดการผสมผสานที่ยอดเยี่ยมของคุณสมบัติทางกลสำหรับการใช้งานโครงสร้างขั้นสูง
การพัฒนาโลหะผสมเอนโทรปีสูงเป็นแนวคิดใหม่ที่มีแนวโน้มในด้านโลหะวิทยา1,2 ในหลายกรณีโลหะผสมเอนโทรปีสูง (HEA) ได้แสดงให้เห็นในหลายกรณีถึงการผสมผสานที่ยอดเยี่ยมระหว่างคุณสมบัติทางกายภาพและทางกล รวมถึงความเสถียรทางความร้อนสูง3,4 การยืดตัวของซูเปอร์พลาสติก5,6 ความต้านทานความเมื่อยล้า7,8 ความต้านทานการกัดกร่อน9,10,11 ความต้านทานการสึกหรอที่ดีเยี่ยม12,13,14 ,15 และคุณสมบัติทางไทรโบโลยี15 ,16,17 แม้ที่อุณหภูมิสูง18,19,20,21,22 และคุณสมบัติทางกลที่ต่ำ อุณหภูมิ23,24,25. การผสมผสานคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยมใน HEA มักเกิดจากผลกระทบหลัก 4 ประการ ได้แก่ เอนโทรปีที่มีการกำหนดค่าสูง26 ความบิดเบี้ยวของแลตทิซที่รุนแรง27 การแพร่กระจายที่ช้า28 และเอฟเฟกต์ค็อกเทล29 โดยปกติ HEA จะถูกจัดประเภทเป็นประเภท FCC, BCC และ HCP โดยทั่วไปแล้ว FCC HEA จะมีองค์ประกอบการเปลี่ยนผ่าน เช่น Co, Cr, Fe, Ni และ Mn และมีความเหนียวเป็นเลิศ (แม้ที่อุณหภูมิต่ำ 25) แต่มีความแข็งแรงต่ำ โดยทั่วไป BCC HEA จะประกอบด้วยองค์ประกอบที่มีความหนาแน่นสูง เช่น W, Mo, Nb, Ta, Ti และ V และมีความแข็งแรงสูงมากแต่มีความเหนียวต่ำและมีความแข็งแรงจำเพาะต่ำ30
มีการตรวจสอบการดัดแปลงโครงสร้างจุลภาคของ HEA โดยอาศัยการตัดเฉือน การประมวลผลทางความร้อนเชิงกล และการเพิ่มองค์ประกอบต่างๆ เพื่อให้ได้คุณสมบัติทางกลที่ดีที่สุด CoCrFeMnNi FCC HEA อยู่ภายใต้การเปลี่ยนรูปพลาสติกอย่างรุนแรงโดยแรงบิดแรงดันสูง ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นอย่างมากในความแข็ง (520 HV) และความแข็งแรง (1950 MPa) แต่การพัฒนาโครงสร้างจุลภาคนาโนคริสตัลไลน์ (~50 นาโนเมตร) ทำให้โลหะผสมเปราะ31 . พบว่าการรวมตัวของความเหนียวแบบคู่ (TWIP) และความเป็นพลาสติกที่เหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง (TRIP) เข้าไปใน CoCrFeMnNi HEAs ทำให้มีความสามารถในการชุบแข็งในงานที่ดี ซึ่งส่งผลให้มีความเหนียวของแรงดึงสูง แม้ว่าจะต้องสูญเสียค่าความต้านทานแรงดึงตามจริงก็ตาม ต่ำกว่า (1124 MPa) 32. การก่อตัวของโครงสร้างจุลภาคแบบชั้น (ประกอบด้วยชั้นที่ผิดรูปบางและแกนที่ไม่มีรูปร่าง) ใน CoCrFeMnNi HEA โดยใช้การขัดผิวด้วยการยิงส่งผลให้มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้น แต่การปรับปรุงนี้ถูกจำกัดไว้ที่ประมาณ 700 MPa33 ในการค้นหาวัสดุที่มีการผสมผสานระหว่างความแข็งแรงและความเหนียวได้ดีที่สุด ได้มีการตรวจสอบการพัฒนา HEA แบบหลายเฟสและยูเทคติก HEA โดยใช้การเติมองค์ประกอบที่ไม่ใช่ไอโซอะตอมมิก34,35,36,37,38,39,40,41 ด้วยเช่นกัน แท้จริงแล้ว พบว่าการกระจายตัวของเฟสแข็งและอ่อนในโลหะผสมยูเทคติกที่มีเอนโทรปีสูงสามารถนำไปสู่การผสมผสานระหว่างความแข็งแรงและความเหนียวได้ค่อนข้างดีกว่า
ระบบ CoCrFeNi เป็นโลหะผสมเอนโทรปีสูง FCC เฟสเดียวที่มีการศึกษาอย่างกว้างขวาง ระบบนี้แสดงคุณสมบัติการชุบแข็งอย่างรวดเร็ว44 และความเหนียวที่ดีเยี่ยม45,46 ที่อุณหภูมิต่ำและสูง มีความพยายามหลายครั้งเพื่อปรับปรุงความแข็งแรงที่ค่อนข้างต่ำ (~ 300 MPa) 47,48 รวมถึงการปรับแต่งเกรน โครงสร้างจุลภาคที่ต่างกัน 49 การตกตะกอน 50,51,52 และความเป็นพลาสติกที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลง (TRIP) 53 การปรับแต่งเกรนของ HEA CoCrFeNi ลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางหน้าหล่อโดยการดึงเย็นภายใต้สภาวะที่รุนแรงจะเพิ่มความแข็งแรงจากประมาณ 300 MPa47.48 เป็น 1.2 GPa25 แต่ลดการสูญเสียความเหนียวจากมากกว่า 60% เป็น 12.6% การเติม Al ไปยัง HEA ของ CoCrFeNi ส่งผลให้เกิดการก่อรูปของโครงสร้างจุลภาคที่ต่างกัน ซึ่งทำให้ความแข็งแรงครากของมันคือ 786 MPa และการยืดตัวสัมพัทธ์ของมันไปที่ประมาณ 22%49 CoCrFeNi HEA ถูกเติมด้วย Ti และ Al เพื่อสร้างตะกอน ดังนั้นจึงก่อรูปการตกตะกอนที่เข้มข้นขึ้น โดยเพิ่มความแข็งแกร่งของผลผลิตเป็น 645 MPa และการยืดตัวเป็น 39%51 กลไก TRIP (การเปลี่ยนรูปแบบมาร์เทนซิติกลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางหน้า → หกเหลี่ยม) และการจับคู่เพิ่มความต้านทานแรงดึงของ CoCrFeNi HEA เป็น 841 MPa และการยืดตัวที่จุดแตกหักเป็น 76%53
มีการพยายามที่จะเพิ่มการเสริมแรงด้วยเซรามิกให้กับลูกบาศก์เมทริกซ์ที่มีศูนย์กลางที่ผิวหน้า HEA เพื่อพัฒนาคอมโพสิตเอนโทรปีสูงที่สามารถแสดงการผสมผสานระหว่างความแข็งแรงและความเหนียวได้ดีขึ้น คอมโพสิตที่มีเอนโทรปีสูงได้รับการประมวลผลโดยการหลอมอาร์คสุญญากาศ44, การผสมเชิงกล45,46,47,48,52,53, การเผาผนึกพลาสมาประกายไฟ46,51,52, การกดร้อนด้วยสุญญากาศ45, การกดไอโซสแตติกแบบร้อน47,48 และการพัฒนากระบวนการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ43 50. คาร์ไบด์ ออกไซด์ และไนไตรด์ เช่น WC44, 45, 46, Al2O347, SiC48, TiC43, 49, TiN50 และ Y2O351 ถูกนำมาใช้เป็นการเสริมแรงด้วยเซรามิกในการพัฒนาคอมโพสิต HEA การเลือกเมทริกซ์ HEA และเซรามิกที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเมื่อออกแบบและพัฒนาคอมโพสิต HEA ที่แข็งแกร่งและทนทาน ในงานนี้ CoCrFeNi ได้รับเลือกให้เป็นวัสดุเมทริกซ์ SiC ในปริมาณต่างๆ ถูกเติมลงใน CoCrFeNi HEA และผลกระทบของพวกมันต่อโครงสร้างจุลภาค องค์ประกอบเฟส และคุณสมบัติทางกลได้รับการศึกษา
โลหะที่มีความบริสุทธิ์สูง Co, Cr, Fe และ Ni (99.95 wt %) และผง SiC (ความบริสุทธิ์ 99%, ขนาด -400 mesh) ในรูปแบบของอนุภาคมูลฐานถูกนำมาใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับการสร้างคอมโพสิต HEA องค์ประกอบทางไอโซอะตอมของ CoCrFeNi HEA ถูกจัดวางครั้งแรกในแม่พิมพ์ทองแดงระบายความร้อนด้วยน้ำแบบครึ่งทรงกลม และจากนั้น ห้องเพาะเลี้ยงถูกอพยพไปที่ 3·10-5 มิลลิบาร์ มีการใช้ก๊าซอาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูงเพื่อให้ได้สุญญากาศที่จำเป็นสำหรับการหลอมอาร์กด้วยอิเล็กโทรดทังสเตนที่ไม่สิ้นเปลือง แท่งโลหะที่ได้จะถูกกลับด้านและหลอมใหม่ห้าครั้งเพื่อให้แน่ใจว่าเป็นเนื้อเดียวกันที่ดี คอมโพสิตเอนโทรปีสูงขององค์ประกอบต่างๆ ถูกเตรียมโดยการเติม SiC ในปริมาณหนึ่งไปยังปุ่ม CoCrFeNi ที่สมดุลอะตอมที่ได้ ซึ่งถูกทำให้เป็นเนื้อเดียวกันอีกครั้งโดยการผกผันห้าเท่าและการหลอมใหม่ในแต่ละกรณี ปุ่มขึ้นรูปจากคอมโพสิตที่ได้ถูกตัดโดยใช้ EDM เพื่อการทดสอบและการกำหนดคุณลักษณะเพิ่มเติม ตัวอย่างสำหรับการศึกษาโครงสร้างจุลภาคได้จัดทำขึ้นตามวิธีการทางโลหะวิทยามาตรฐาน ขั้นแรก ตรวจสอบตัวอย่างโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (Leica Microscope DM6M) พร้อมซอฟต์แวร์ Leica Image Analysis (LAS Phase Expert) สำหรับการวิเคราะห์เฟสเชิงปริมาณ เลือกรูปภาพสามภาพที่ถ่ายในพื้นที่ต่าง ๆ โดยมีพื้นที่รวมประมาณ 27,000 µm2 สำหรับการวิเคราะห์เฟส การศึกษาโครงสร้างจุลภาคโดยละเอียดเพิ่มเติม รวมถึงการวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีและการวิเคราะห์การกระจายองค์ประกอบ ดำเนินการในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (JEOL JSM-6490LA) ที่ติดตั้งระบบวิเคราะห์การกระจายพลังงานสเปกโทรสโกปี (EDS) การแสดงคุณลักษณะของโครงสร้างผลึกของคอมโพสิต HEA ดำเนินการโดยใช้ระบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (ตัวเปลี่ยนเฟสของ Bruker D2) โดยใช้แหล่งกำเนิด CuKα ที่มีขนาดขั้นเป็น 0.04° ศึกษาผลของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคต่อคุณสมบัติเชิงกลของคอมโพสิต HEA โดยใช้การทดสอบความแข็งระดับจุลภาคของ Vickers และการทดสอบแรงอัด สำหรับการทดสอบความแข็ง ให้โหลด 500 นิวตันเป็นเวลา 15 วินาที โดยใช้การเยื้องอย่างน้อย 10 ครั้งต่อชิ้นงานทดสอบ การทดสอบแรงอัดของคอมโพสิต HEA ที่อุณหภูมิห้องดำเนินการกับชิ้นงานทรงสี่เหลี่ยม (7 มม. × 3 มม. × 3 มม.) บนเครื่องทดสอบอเนกประสงค์ (UTM) ของ Shimadzu 50KN ที่อัตราความเครียดเริ่มต้น 0.001/วินาที
คอมโพสิตเอนโทรปีสูง ซึ่งต่อไปนี้จะเรียกว่าตัวอย่าง S-1 ถึง S-6 ถูกเตรียมโดยการเติม SiC 3%, 6%, 9%, 12%, 15% และ 17% (ทั้งหมดโดยน้ำหนัก%) ให้กับเมทริกซ์ CoCrFeNi . ตามลำดับ ตัวอย่างอ้างอิงที่ไม่ได้เติม SiC ต่อไปนี้จะเรียกว่าตัวอย่าง S-0 ภาพไมโครกราฟเชิงแสงของคอมโพสิต HEA ที่พัฒนาแล้วถูกแสดงไว้ในรูปที่ 1 โดยที่เนื่องจากการเติมสารเติมแต่งหลายชนิด โครงสร้างจุลภาคเฟสเดียวของ CoCrFeNi HEA จึงถูกเปลี่ยนให้เป็นโครงสร้างจุลภาคที่ประกอบด้วยหลายเฟสที่มีสัณฐานวิทยา ขนาด และการกระจายที่แตกต่างกัน ปริมาณ SiC ในองค์ประกอบ จำนวนของแต่ละเฟสถูกกำหนดจากการวิเคราะห์ภาพโดยใช้ซอฟต์แวร์ LAS Phase Expert สิ่งที่ใส่เข้าไปในรูปที่ 1 (ขวาบน) แสดงพื้นที่ตัวอย่างสำหรับการวิเคราะห์นี้ รวมถึงเศษส่วนของพื้นที่สำหรับส่วนประกอบแต่ละเฟส
ภาพไมโครกราฟแสงของคอมโพสิตเอนโทรปีสูงที่พัฒนาแล้ว: (a) C-1, (b) C-2, (c) C-3, (d) C-4, (e) C-5 และ (f) C- 6. สิ่งที่ใส่เข้าไปจะแสดงตัวอย่างผลการวิเคราะห์เฟสของภาพที่อิงคอนทราสต์โดยใช้ซอฟต์แวร์ LAS Phase Expert
ดังแสดงในรูป 1a ซึ่งเป็นโครงสร้างจุลภาคยูเทคติกที่เกิดขึ้นระหว่างปริมาตรเมทริกซ์ของคอมโพสิต C-1 โดยที่ปริมาณของเฟสเมทริกซ์และเฟสยูเทคติกถูกประมาณไว้ที่ 87.9 ± 0.47% และ 12.1% ± 0.51% ตามลำดับ ในคอมโพสิต (C-2) ที่แสดงในรูปที่ 1b ไม่มีสัญญาณของปฏิกิริยายูเทคติกในระหว่างการแข็งตัว และสังเกตเห็นโครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากคอมโพสิต C-1 โครงสร้างจุลภาคของคอมโพสิต C-2 ค่อนข้างละเอียดและประกอบด้วยแผ่นบาง (คาร์ไบด์) ที่กระจายสม่ำเสมอในเฟสเมทริกซ์ (fcc) เศษส่วนปริมาตรของเมทริกซ์และคาร์ไบด์อยู่ที่ประมาณ 72 ± 1.69% และ 28 ± 1.69% ตามลำดับ นอกจากเมทริกซ์และคาร์ไบด์แล้ว ยังพบเฟสใหม่ (ซิลิไซด์) ในคอมโพสิต C-3 ดังแสดงในรูปที่ 1c โดยที่เศษส่วนปริมาตรของเฟสซิลิไซด์ คาร์ไบด์ และเมทริกซ์ดังกล่าวอยู่ที่ประมาณ 26.5% ± 0.41%, 25.9 ± 0.53 และ 47.6 ± 0.34 ตามลำดับ เฟสใหม่อีกเฟสหนึ่ง (กราไฟต์) ถูกพบในโครงสร้างจุลภาคของคอมโพสิต C-4 มีการระบุทั้งหมดสี่ขั้นตอน เฟสกราไฟท์มีรูปร่างเป็นทรงกลมที่ชัดเจนโดยมีความเปรียบต่างสีเข้มในภาพออปติคอล และมีอยู่ในปริมาณเล็กน้อยเท่านั้น (เศษส่วนของปริมาตรโดยประมาณอยู่ที่ประมาณ 0.6 ± 0.30%) ในคอมโพสิต C-5 และ C-6 มีการระบุเพียงสามเฟสเท่านั้น และเฟสกราไฟท์ที่ตัดกันสีเข้มในคอมโพสิตเหล่านี้จะปรากฏในรูปแบบของสะเก็ด เมื่อเปรียบเทียบกับเกล็ดกราไฟท์ใน Composite S-5 เกล็ดกราไฟท์ใน Composite S-6 จะมีความกว้าง สั้นกว่า และสม่ำเสมอมากกว่า ปริมาณกราไฟท์ที่เพิ่มขึ้นที่สอดคล้องกันยังถูกสังเกตจาก 14.9 ± 0.85% ในคอมโพสิต C-5 เป็นประมาณ 17.4 ± 0.55% ในคอมโพสิต C-6
เพื่อตรวจสอบรายละเอียดโครงสร้างจุลภาคและองค์ประกอบทางเคมีของแต่ละเฟสในคอมโพสิต HEA เพิ่มเติม มีการตรวจสอบตัวอย่างโดยใช้ SEM และทำการวิเคราะห์จุด EMF และการทำแผนที่ทางเคมีด้วย ผลลัพธ์ของคอมโพสิต C-1 แสดงไว้ในรูปที่ 1 2 ซึ่งเห็นการมีอยู่ของผสมยูเทคติกที่แยกบริเวณของเฟสเมทริกซ์หลักได้ชัดเจน แผนที่ทางเคมีของคอมโพสิต C-1 แสดงในรูปที่ 2c ซึ่งจะเห็นได้ว่า Co, Fe, Ni และ Si มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอในเฟสเมทริกซ์ อย่างไรก็ตาม พบ Cr จำนวนเล็กน้อยในระยะเมทริกซ์เมื่อเปรียบเทียบกับองค์ประกอบอื่นๆ ของฐาน HEA ซึ่งบ่งชี้ว่า Cr กระจายออกจากเมทริกซ์ องค์ประกอบของเฟสยูเทคติกสีขาวในภาพ SEM อุดมไปด้วยโครเมียมและคาร์บอน ซึ่งบ่งชี้ว่าเป็นโครเมียมคาร์ไบด์ การไม่มีอนุภาค SiC แบบแยกส่วนในโครงสร้างจุลภาค รวมกับปริมาณโครเมียมในปริมาณต่ำที่สังเกตได้ในเมทริกซ์ และการมีอยู่ของผสมยูเทคติกที่มีเฟสที่มีโครเมียมอุดม บ่งชี้ถึงการสลายตัวโดยสมบูรณ์ของ SiC ระหว่างการหลอมละลาย จากการสลายตัวของ SiC ซิลิคอนจะละลายในเฟสเมทริกซ์ และคาร์บอนอิสระจะทำปฏิกิริยากับโครเมียมเพื่อสร้างโครเมียมคาร์ไบด์ ดังที่เห็นได้ มีเพียงคาร์บอนเท่านั้นที่ถูกกำหนดในเชิงคุณภาพโดยวิธี EMF และการก่อตัวของเฟสได้รับการยืนยันโดยการระบุพีคของคาร์ไบด์ที่มีลักษณะเฉพาะในรูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์
(a) ภาพ SEM ของตัวอย่าง S-1, (b) ภาพขยาย, (c) แผนที่องค์ประกอบ (d) ผลลัพธ์ EMF ในตำแหน่งที่ระบุ
การวิเคราะห์คอมโพสิต C-2 แสดงไว้ในรูปที่ 1 3. คล้ายกับลักษณะที่ปรากฏบนกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง การตรวจสอบ SEM เผยให้เห็นโครงสร้างละเอียดที่ประกอบด้วยสองเฟสเท่านั้น โดยมีเฟสลาเมลลาร์บางๆ กระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งโครงสร้าง เฟสเมทริกซ์และไม่มีเฟสยูเทคติก การกระจายองค์ประกอบและการวิเคราะห์จุด EMF ของเฟสลาเมลลาร์เผยให้เห็นปริมาณ Cr (สีเหลือง) และ C (สีเขียว) ค่อนข้างสูงในระยะนี้ ซึ่งบ่งชี้การสลายตัวของ SiC อีกครั้งในระหว่างการหลอมเหลวและปฏิกิริยาระหว่างคาร์บอนที่ปล่อยออกมากับผลกระทบของโครเมียม . เมทริกซ์ VEA ก่อให้เกิดเฟสลาเมลลาร์คาร์ไบด์ การกระจายองค์ประกอบและการวิเคราะห์จุดของเฟสเมทริกซ์แสดงให้เห็นว่าโคบอลต์ เหล็ก นิกเกิล และซิลิคอนส่วนใหญ่อยู่ในเฟสเมทริกซ์
(a) ภาพ SEM ของตัวอย่าง S-2, (b) ภาพขยาย, (c) แผนที่องค์ประกอบ (d) ผลลัพธ์ EMF ในตำแหน่งที่ระบุ
การศึกษา SEM ของคอมโพสิต C-3 เผยให้เห็นถึงการมีอยู่ของเฟสใหม่ นอกเหนือจากเฟสคาร์ไบด์และเมทริกซ์ แผนที่องค์ประกอบ (รูปที่ 4c) และการวิเคราะห์จุด EMF (รูปที่ 4d) แสดงให้เห็นว่าเฟสใหม่อุดมไปด้วยนิกเกิล โคบอลต์ และซิลิคอน
(a) ภาพ SEM ของตัวอย่าง S-3, (b) ภาพขยาย, (c) แผนที่องค์ประกอบ (d) ผลลัพธ์ EMF ในตำแหน่งที่ระบุ
ผลลัพธ์ของการวิเคราะห์ SEM และ EMF ของคอมโพสิต C-4 ถูกแสดงไว้ในรูปที่ 5. นอกจากสามเฟสที่พบในคอมโพสิต C-3 แล้ว ยังพบการมีอยู่ของก้อนกราไฟท์อีกด้วย เศษส่วนปริมาตรของเฟสที่อุดมด้วยซิลิคอนยังสูงกว่าของคอมโพสิต C-3 อีกด้วย
(a) ภาพ SEM ของตัวอย่าง S-4, (b) ภาพขยาย, (c) แผนผังองค์ประกอบ (d) ผลลัพธ์ EMF ในตำแหน่งที่ระบุ
ผลลัพธ์ของสเปกตรัม SEM และ EMF ของคอมโพสิต S-5 และ S-6 แสดงในรูปที่ 1 และ 2 6 และ 7 ตามลำดับ นอกจากทรงกลมจำนวนเล็กน้อยแล้ว ยังพบว่ามีสะเก็ดกราไฟท์อีกด้วย ทั้งจำนวนเกล็ดกราไฟท์และเศษส่วนปริมาตรของเฟสที่ประกอบด้วยซิลิคอนในคอมโพสิต C-6 นั้นมากกว่าในคอมโพสิต C-5
(a) ภาพ SEM ของตัวอย่าง C-5, (b) มุมมองขยาย, (c) แผนที่องค์ประกอบ (d) ผลลัพธ์ EMF ในตำแหน่งที่ระบุ
(a) ภาพ SEM ของตัวอย่าง S-6, (b) ภาพขยาย, (c) แผนที่องค์ประกอบ (d) ผลลัพธ์ EMF ในตำแหน่งที่ระบุ
การแสดงลักษณะเฉพาะของโครงสร้างผลึกของคอมโพสิต HEA ยังดำเนินการโดยใช้การวัด XRD ผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 8 ในรูปแบบการเลี้ยวเบนของฐาน WEA (S-0) จะมองเห็นเฉพาะพีคที่สอดคล้องกับเฟส fcc เท่านั้น รูปแบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของคอมโพสิต C-1, C-2 และ C-3 เผยให้เห็นการมีอยู่ของพีคเพิ่มเติมที่สอดคล้องกับโครเมียมคาร์ไบด์ (Cr7C3) และความเข้มของพวกมันต่ำกว่าสำหรับตัวอย่าง C-3 และ C-4 ซึ่งบ่งชี้ว่า ที่มีข้อมูล EMF สำหรับตัวอย่างเหล่านี้ด้วย พีคที่สอดคล้องกับซิลิไซด์ Co/Ni ถูกสังเกตสำหรับตัวอย่าง S-3 และ S-4 ซึ่งสอดคล้องกับผลลัพธ์การทำแผนที่ EDS อีกครั้งที่แสดงในรูปที่ 2 และ 3 ดังแสดงในรูปที่ 3 และรูปที่ 4 พีคที่ 5 และ S-6 ถูกสังเกต สอดคล้องกับกราไฟท์
ทั้งลักษณะโครงสร้างจุลภาคและลักษณะผลึกของคอมโพสิตที่พัฒนาแล้วบ่งชี้การสลายตัวของ SiC ที่เติมเข้าไป นี่เป็นเพราะการมีโครเมียมอยู่ในเมทริกซ์ VEA โครเมียมมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับคาร์บอน 54.55 อย่างมาก และทำปฏิกิริยากับคาร์บอนอิสระจนเกิดเป็นคาร์ไบด์ ดังที่เห็นได้จากการลดลงของปริมาณโครเมียมในเมทริกซ์ Si ผ่านเข้าสู่เฟส fcc เนื่องจากการแยกตัวของ SiC56 ดังนั้น การเพิ่ม SiC ลงในฐาน HEA ที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้ปริมาณเฟสคาร์ไบด์และปริมาณ Si อิสระในโครงสร้างจุลภาคเพิ่มขึ้น พบว่า Si เพิ่มเติมนี้สะสมอยู่ในเมทริกซ์ที่ความเข้มข้นต่ำ (ในคอมโพสิต S-1 และ S-2) ในขณะที่ความเข้มข้นสูงกว่า (คอมโพสิต S-3 ถึง S-6) จะส่งผลให้เกิดการสะสมโคบอลต์เพิ่มเติม/ นิกเกิลซิลิไซด์ เอนทัลปีมาตรฐานของการก่อตัวของซิลิไซด์ Co และ Ni ที่ได้จากการสังเคราะห์โดยตรงด้วยการวัดความร้อนที่อุณหภูมิสูงคือ -37.9 ± 2.0, -49.3 ± 1.3, -34.9 ± 1.1 kJ mol -1 สำหรับ Co2Si, CoSi และ CoSi2 ตามลำดับ ในขณะที่สิ่งเหล่านี้ ค่าคือ – 50.6 ± 1.7 และ – 45.1 ± 1.4 กิโลจูล mol-157 สำหรับ Ni2Si และ Ni5Si2 ตามลำดับ ค่าเหล่านี้ต่ำกว่าความร้อนของการก่อตัวของ SiC ซึ่งบ่งชี้ว่าการแยกตัวของ SiC ที่นำไปสู่การก่อตัวของซิลิไซด์ Co/Ni นั้นมีประโยชน์อย่างมาก ในคอมโพสิตทั้ง S-5 และ S-6 มีซิลิคอนอิสระเพิ่มเติม ซึ่งถูกดูดซับเกินกว่าการก่อตัวของซิลิไซด์ พบว่าซิลิคอนอิสระนี้มีส่วนทำให้เกิดกราฟิเซชั่นที่พบในเหล็กธรรมดา 58
คุณสมบัติทางกลของวัสดุคอมโพสิตเสริมเซรามิกที่พัฒนาแล้วซึ่งมีพื้นฐานจาก HEA ได้รับการตรวจสอบโดยการทดสอบแรงอัดและการทดสอบความแข็ง เส้นโค้งความเค้น-ความเครียดของคอมโพสิตที่พัฒนาแล้วจะแสดงไว้ในรูปที่ 9a และในรูปที่ 9b แสดงแผนภาพกระจายระหว่างความแข็งแรงของผลผลิตจำเพาะ ความแข็งแรงของผลผลิต ความแข็ง และการยืดตัวของคอมโพสิตที่พัฒนาแล้ว
(a) กราฟความเครียดแรงอัด และ (b) แผนภูมิกระจายที่แสดงความเครียดของผลผลิตจำเพาะ ความแข็งแรงของผลผลิต ความแข็ง และการยืดตัว โปรดทราบว่าจะแสดงเฉพาะชิ้นงาน S-0 ถึง S-4 เท่านั้น เนื่องจากชิ้นงาน S-5 และ S-6 มีข้อบกพร่องในการหล่ออย่างมีนัยสำคัญ
ดังที่เห็นในรูป ในเวอร์ชัน 9 ความแข็งแรงของผลผลิตเพิ่มขึ้นจาก 136 MPa สำหรับฐาน VES (C-0) เป็น 2522 MPa สำหรับคอมโพสิต C-4 เมื่อเปรียบเทียบกับ WPP พื้นฐาน คอมโพสิต S-2 แสดงการยืดตัวที่ดีมากถึงความล้มเหลวประมาณ 37% และยังแสดงค่าความแข็งแกร่งของผลผลิตที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ (1200 MPa) การผสมผสานระหว่างความแข็งแรงและความเหนียวที่ยอดเยี่ยมของคอมโพสิตนี้เกิดจากการปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคโดยรวม รวมถึงการกระจายตัวของแผ่นคาร์ไบด์ละเอียดที่สม่ำเสมอทั่วทั้งโครงสร้างจุลภาค ซึ่งคาดว่าจะยับยั้งการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่ กำลังรับผลผลิตของคอมโพสิต C-3 และ C-4 คือ 1925 MPa และ 2522 MPa ตามลำดับ ความสามารถในการให้ผลผลิตสูงเหล่านี้สามารถอธิบายได้ด้วยเศษส่วนที่มีปริมาตรสูงของเฟสซีเมนต์คาร์ไบด์และซิลิไซด์ อย่างไรก็ตาม การมีอยู่ของเฟสเหล่านี้ยังส่งผลให้มีการยืดตัวที่จุดแตกหักเพียง 7% เท่านั้น เส้นโค้งความเค้น-ความเครียดของคอมโพสิตฐาน CoCrFeNi HEA (S-0) และ S-1 นั้นนูนออกมา ซึ่งบ่งชี้การกระตุ้นเอฟเฟกต์การจับคู่หรือ TRIP59,60 เมื่อเปรียบเทียบกับตัวอย่าง S-1 เส้นโค้งความเค้น-ความเครียดของตัวอย่าง S-2 มีรูปร่างเว้าที่ความเครียดประมาณ 10.20% ซึ่งหมายความว่าสลิปการเคลื่อนที่ปกติคือโหมดการเปลี่ยนรูปหลักของตัวอย่างในสถานะผิดรูปนี้60,61 . อย่างไรก็ตาม อัตราการชุบแข็งในชิ้นงานทดสอบนี้ยังคงสูงในช่วงความเครียดขนาดใหญ่ และที่ความเครียดที่สูงกว่า การเปลี่ยนแปลงไปสู่ความนูนก็สามารถมองเห็นได้ (แม้ว่าจะไม่สามารถตัดออกได้ว่านี่เป็นเพราะความล้มเหลวของแรงอัดที่หล่อลื่น) - คอมโพสิต C-3 และ C-4 มีความเป็นพลาสติกจำกัด เนื่องจากมีเศษส่วนของคาร์ไบด์และซิลิไซด์ในโครงสร้างจุลภาคที่มีปริมาตรสูงกว่า การทดสอบแรงอัดของตัวอย่างวัสดุผสม C-5 และ C-6 ไม่ได้ดำเนินการเนื่องจากข้อบกพร่องในการหล่ออย่างมีนัยสำคัญในตัวอย่างวัสดุผสมเหล่านี้ (ดูรูปที่ 10)
ภาพสเตอริโอไมโครกราฟของข้อบกพร่องในการหล่อ (ระบุด้วยลูกศรสีแดง) ในตัวอย่างคอมโพสิต C-5 และ C-6
ผลลัพธ์ของการวัดความแข็งของคอมโพสิต VEA แสดงไว้ในรูปที่ 1 9ข. WEA ฐานมีความแข็ง 130±5 HV และตัวอย่าง S-1, S-2, S-3 และ S-4 มีค่าความแข็ง 250±10 HV, 275±10 HV, 570±20 HV และ 755±20 เอชวี ความแข็งที่เพิ่มขึ้นเป็นไปตามข้อตกลงที่ดีกับการเปลี่ยนแปลงความแข็งแรงของผลผลิตที่ได้จากการทดสอบแรงอัด และสัมพันธ์กับปริมาณของแข็งในคอมโพสิตที่เพิ่มขึ้น ความแข็งแรงของผลผลิตจำเพาะที่คำนวณได้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบเป้าหมายของแต่ละตัวอย่างจะแสดงไว้ในรูปที่ 1 ด้วย 9ข. โดยทั่วไป ส่วนผสมที่ดีที่สุดของความแข็งแรงคราก (1200 MPa) ความแข็ง (275 ± 10 HV) และการยืดตัวสัมพัทธ์จนถึงความเสียหาย (~37%) จะถูกสังเกตสำหรับคอมโพสิต C-2
การเปรียบเทียบความแข็งแรงของผลผลิตและการยืดตัวสัมพัทธ์ของคอมโพสิตที่พัฒนาแล้วกับวัสดุประเภทต่างๆ จะแสดงในรูปที่ 11a คอมโพสิตที่ใช้ CoCrFeNi ในการศึกษานี้แสดงให้เห็นการยืดตัวสูงที่ระดับความเครียดที่กำหนด62 นอกจากนี้ยังจะเห็นได้ว่าคุณสมบัติของคอมโพสิต HEA ที่พัฒนาขึ้นในการศึกษานี้อยู่ในพื้นที่ว่างก่อนหน้านี้ของพล็อตความแข็งแรงของผลผลิตเทียบกับการยืดตัว นอกจากนี้ คอมโพสิตที่พัฒนาแล้วยังมีความแข็งแรงที่หลากหลาย (277 MPa, 1200 MPa, 1925 MPa และ 2522 MPa) และการยืดตัว (>60%, 37%, 7.3% และ 6.19%) ความแข็งแรงของผลผลิตยังเป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกใช้วัสดุสำหรับงานวิศวกรรมขั้นสูง63,64 ในเรื่องนี้ คอมโพสิต HEA ของการประดิษฐ์นี้แสดงการผสมผสานที่ยอดเยี่ยมของความแข็งแรงของผลผลิตและการยืดตัว เนื่องจากการเพิ่ม SiC ความหนาแน่นต่ำส่งผลให้คอมโพสิตมีความแข็งแรงของผลผลิตจำเพาะสูง ความแข็งแรงของผลผลิตจำเพาะและการยืดตัวของคอมโพสิต HEA อยู่ในช่วงเดียวกันกับ HEA FCC และ HEA ทนไฟ ดังแสดงในรูปที่ 11b ความแข็งและความแข็งแรงของผลผลิตของคอมโพสิตที่พัฒนาแล้วอยู่ในช่วงเดียวกับแก้วโลหะขนาดใหญ่ 65 (รูปที่ 11c) แก้วโลหะขนาดใหญ่ (BMS) มีคุณลักษณะเด่นคือความแข็งและความแข็งแรงของผลผลิตสูง แต่การยืดตัวนั้นมีจำกัด66,67 อย่างไรก็ตาม ความแข็งและความแข็งแรงของผลผลิตของคอมโพสิต HEA บางชนิดที่พัฒนาขึ้นในการศึกษานี้ยังแสดงให้เห็นการยืดตัวอย่างมีนัยสำคัญอีกด้วย ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าคอมโพสิตที่พัฒนาโดย VEA มีคุณสมบัติทางกลที่มีเอกลักษณ์และเป็นที่ต้องการสำหรับการใช้งานด้านโครงสร้างต่างๆ การผสมผสานคุณสมบัติทางกลที่เป็นเอกลักษณ์นี้สามารถอธิบายได้ด้วยการกระจายตัวสม่ำเสมอของฮาร์ดคาร์ไบด์ที่เกิดขึ้นในแหล่งกำเนิดในเมทริกซ์ FCC HEA อย่างไรก็ตาม เพื่อเป็นส่วนหนึ่งของเป้าหมายในการบรรลุการผสมผสานระหว่างความแข็งแกร่งที่ดีขึ้น การเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างจุลภาคที่เกิดจากการเติมเฟสเซรามิกจะต้องได้รับการศึกษาและควบคุมอย่างรอบคอบ เพื่อหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องในการหล่อ เช่น ที่พบในคอมโพสิต S-5 และ S-6 และ ความเหนียว เพศ.
ผลการศึกษานี้ถูกเปรียบเทียบกับวัสดุโครงสร้างและ HEA ต่างๆ: (a) การยืดตัวเทียบกับความแข็งแรงของผลผลิต62 (b) ความเครียดของผลผลิตจำเพาะเทียบกับความเหนียว63 และ (c) ความแข็งแรงของผลผลิตเทียบกับความแข็ง65
โครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติเชิงกลของชุดคอมโพสิต HEA-เซรามิกที่ใช้ระบบ HEA CoCrFeNi พร้อมด้วยการเติม SiC ได้รับการศึกษาและได้ข้อสรุปดังต่อไปนี้:
คอมโพสิตโลหะผสมเอนโทรปีสูงสามารถพัฒนาได้สำเร็จโดยการเพิ่ม SiC ลงใน CoCrFeNi HEA โดยใช้วิธีการหลอมอาร์ก
SiC จะสลายตัวในระหว่างการหลอมอาร์ก ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของเฟสคาร์ไบด์ ซิลิไซด์ และกราไฟท์ ในแหล่งกำเนิด การมีอยู่และเศษส่วนปริมาตรจะขึ้นอยู่กับปริมาณของ SiC ที่เติมลงใน HEA ฐาน
คอมโพสิต HEA มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยมหลายประการ โดยมีคุณสมบัติที่ตกลงไปในพื้นที่ว่างก่อนหน้านี้ตามกำลังรับผลผลิตเทียบกับแผนการยืดตัว ความแข็งแรงครากของคอมโพสิต HEA ที่สร้างโดยใช้ SiC 6 % โดยน้ำหนักนั้นมากกว่า 8 เท่าของ HEA พื้นฐาน ในขณะที่ยังคงความเหนียว 37%
ความแข็งและความแข็งแรงของผลผลิตของคอมโพสิต HEA อยู่ในช่วงของแก้วโลหะจำนวนมาก (BMG)
การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นว่าคอมโพสิตโลหะผสมเอนโทรปีสูงเป็นแนวทางที่มีแนวโน้มในการบรรลุการผสมผสานที่ยอดเยี่ยมของคุณสมบัติทางกลและโลหะสำหรับการใช้งานโครงสร้างขั้นสูง