Microstructures and mechanical properties of CoCrFeNiAl-based high-entropy alloys

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Hochentropielegierungen (HEAs) eröffnen ein neues Forschungsfeld zur Erkundung und Entwicklung hochleistungsfähiger Materialien im zentralen Bereich mehrkomponentiger Phasendiagramme. Die Auswahl der chemischen Zusammensetzung beeinflusst die Mikrostruktur, und eine geeignete Auswahl kann eine unerwartete Optimierung der Materialeigenschaften im Vergleich zur Mischungsregel bringen. Diese Arbeit zielt darauf ab, den Einfluss von Al auf die Mikrostrukturentwicklung von CoCrFeNi HEA bei verschiedenen Temperaturen zu untersuchen und eine AlCoCrFeNi-basierte HEA durch Mikrostrukturanpassung mit verbesserten mechanischen Eigenschaften zu entwerfen. Der erste Teil konzentriert sich auf das reaktive Diffusionsverhalten des Al/CoCrFeNi-Diffusionspaares unter isothermen und isochronen Glühbedingungen. Bei Temperaturen unter 1373 K sind die Hauptprodukte der Reaktion intermetallische Verbindungen, da der Prozess von der Enthalpie dominiert wird. Die Bildung von Phasen mit niedrigerer Energie als der ungeordnete Festkörperlösungszustand führt zur Zersetzung der HEA. Bei und über 1373 K spielt der Entropiebeitrag zur Systemenergie eine wichtigere Rolle. Al diffundiert zur HEA-Matrix, um einen stärker ungeordneten Zustand zu bilden. Die starke Bindungstendenz von Al und Ni induziert indirekt neue Phasen und verursacht die bergauf gerichtete Diffusion von Ni in Richtung der Al-Seite im vollständig ungeordneten Zustand. Der zweite Teil untersucht die Reaktion der AlCoCrFeNi-basierten eutektischen HEA (EHEA) auf Hochdrucktorsion (HPT). Die Einführung zahlreicher Defekte führt zur Fragmentierung der lamellaren Struktur durch Dislokationsvervielfachung und -anordnung. Die Fragmentierung beginnt in der Nähe der Grenzfläche aufgrund von Spannungskonzentration und entwickelt sich allmählich zum Korngrenzgebiet hin. Die weiche kubisch-flächenzentrierte (Fcc)-Phase entwickelt schneller eine Fehlorientierung als die geordnete kubisch-raumzentrierte (B2)-Phase. Mit zunehmender Scherbeanspruchung bilden sich eine große Anzahl von Nanokörnern durch die Entmischung der B2-Phase zur Bcc-Phase, und die verbleibenden Bcc-Lamellen entwickeln sich zu Wirbelcluster. Die strukturelle Veränderung führt zu einer signifikanten Stärkung des Materials. Sowohl die Streckgrenze als auch die Zugfestigkeit werden um einen Faktor von etwa zwei erhöht, wobei eine gewisse Verformbarkeit erhalten bleibt. Durch die Nutzung eines breiten thermischen Stabilitätsbereichs der aluminium- und nickelreichen B2-Phase sowie der kobalt-, chrom- und eisenreichen Fcc-Phase während der reaktiven Diffusion untersucht der letzte Teil die strukturelle Optimierung der EHEA zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Die lamellare Mikrostruktur der EHEA wird durch eine Kombination aus HPT und Glühen zu einer äquiaxedischen Kornstruktur angepasst. Dadurch wird die Streckgrenze von 703 MPa auf 1199 MPa verbessert, ohne die Verformbarkeit zu verringern. Eine detaillierte Charakterisierung des Verformungsprozesses zeigt, dass es sich um eine Lüders-artige Verformung handelt, gefolgt von einer Verfestigungsstufe. Hohe Winkelkorn- und Phasengrenzen dienen als Quellen für Dislokationen und blockieren den Dislokationstransfer. Die dualphasige Struktur vermeidet das Einschnüren in der Frühphase, während die weiche Fcc-Phase die Ausbreitung von Mikrorissen für die B2-Phase blockiert. Dies bietet eine Richtlinie für das Design von Legierungen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften ohne Abhängigkeit von der Belastungsrichtung.

Details

Titel in ÜbersetzungGefügestrukturen und mechanische Eigenschaften von CoCrFeNiAl-basierten Hochentropielegierungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Zehetbauer, Michael, Beurteiler A (extern), Externe Person
  • Eckert, Jürgen, Betreuer (intern)
  • Mitterer, Christian, Mitbetreuer (intern)
  • Das, Jayanta, Beurteiler B (extern), Externe Person
DOIs
StatusVeröffentlicht - 2024