Исследование структуры и механических свойств тугоплавких среднеэнтропийных сплавов Alx(NbTiZr)100-x

ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА I 4
1 Обзор литературы 4
1.1 Тугоплавкие высокоэнтропийные сплавы 4
1.2 Структура и механические свойства тугоплавких высокоэнтропийных сплавов 7
1.3 Тугоплавкие высокоэнтропийные сплавы с упорядоченной структурой В2 11
1.4 Влияние алюминия на структуру тугоплавких высокоэнтропийных сплавов 13
Актуальность исследования 15
Цель и задачи исследования 17
ГЛАВА II 18
2 Материалы и методики исследования 18
2.1 Термодинамическое моделирование 18
2.2 Материал исследования и методика изготовления экспериментальных образцов сплавов 18
2.3 Методика прокатки 19
2.4 Методика проведения термической обработки 19
2.5 Методика пробоподготовки образцов к металлографическим исследованиям 19
2.6 Рентгеноструктурный анализ 20
2.7 Сканирующая электронная микроскопия 20
2.8 Определение среднего размера зерна/структурного элемента по методу случайных секущих 21
2.9 Просвечивающая электронная микроскопия 21
2.10 Методика испытаний на растяжение 22
2.11 Техника безопасности 23
ГЛАВА III 24
3 Результаты и их обсуждения 24
3.1 Термодинамическое моделирование сплавов Alx(NbTiZr)100-x 24
3.2 Микроструктура сплавов Alx(NbTiZr)100-x 25
3.2 Механические свойства сплавов Alx(NbTiZr)100-x 29
3.2.1 Механические свойства сплавов при комнатной температуре 29
3.2.2 Испытание сплава Al7,5(NbTiZr)92,5 при повышенных температурах 31
3.2.3 Обсуждение результатов испытаний при повышенных температурах 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 42
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 44

Весь текст будет доступен после покупки

Около 20 лет назад учеными был предложен новый класс металлических материалов, так называемые высокоэнтропийные сплавы (ВЭСы). Благодаря своим повышенным прочностным показателям при высоких температурах высокоэнтропийные сплавы привлекли большой интерес ученых всего мира.
Разработка ВЭСов является прорывной идеей в материаловедении, так как эти сплавы состоят из нескольких основных элементов (от 5 и выше), взятыми в приблизительно равных атомных концентрациях. Микроструктура ВЭСов состоит из многоэлементного твердого раствора и может содержать частицы упрочняющих фаз, что позволяет ученым улучшать механические свойства сплавов варьируя содержание упрочняющих фаз. Данная концепция открывает широкие возможности для конструкционных применений и в особенности ВЭСы перспективны для высокотемпературной эксплуатации.
Первоначально для ВЭСов использовались тугоплавкие элементы, такие как Nb, Ta, W, V и Mo [1]. Но из-за высокой плотности и слабой стойкостью к окислению было решено переключиться на элементы с низкой плотностью, такими как Cr, Mo, Nb, V, Zr, Al и Ti [2–9]. Это привело к получению тугоплавких ВЭСов с более низкой плотностью и жаропрочностью, превосходящей свойства суперсплавов на основе Ni и сталей [10].

Весь текст будет доступен после покупки

1.1 Тугоплавкие высокоэнтропийные сплавы
Большие международные, научные и инженерные усилия, направленные на то, чтобы превзойти возможности суперсплавов на основе никеля, продолжались более шести десятилетий. Экономические и социальные выгоды от достижения этой цели огромны - повышение рабочих температур повышает эффективность и снижает выбросы в газотурбинных двигателях, используемых для воздушного транспорта, и наземных электрогенераторах, каждый из которых имеет серьезные экономические и экологические последствия. Огнеупорные элементы играли центральную роль во многих рассмотренных концепциях сплавов, включая эвтектические сплавы NiAl с направленным твердением с Cr, Mo, Re, V или W [11-13]; Сплавы Mo-Nb-Si-B [14,15]; и сплавы Ir-Nb-Ta-Ni-Al, которые первыми стали называть тугоплавкими суперсплавами [16,17]. Как и обычные суперсплавы, эти сплавы содержали как неупорядоченные фазы ГЦК структуры (A1), так и фазы упорядоченных производных ГЦК структурам (L12).
Тугоплавкие высокоэнтропийные сплавы (тугоплавкие ВЭСы) и тугоплавкие композиционно сложные сплавы (тугоплавкие КСС) были впервые разработаны в 2010 году [1], через шесть лет после внедрения концепции ВЭСов, а через четыре года в тугоплавких ВЭСах были обнаружены интригующие микроструктуры, подобные суперсплаву [5, 6]. Первоначально предполагалось, что они содержат две фазы A2, три из известных сплавов, AlMo0.5NbTa0.5TiZr, Al0.3NbTaTi1.4Zr1.3 и Al0.5NbTa0.8Ti1.5V0.2Zr, позже показали, что они содержат фазы A2+B2, что свидетельствует о прекрасной микроструктуре большой объемной доли нанометровых кубовидных частиц, которые были атомарно когерентны с окружающими тонкими каналами матричной фазы [12, 18-20]. С тех пор были обнаружены другие тугоплавкие композиционно сложные сплавы с аналогичной микроструктурой [10,21], и новаторская работа Нака и Хана была заново открыта.
Принципиальной особенностью тугоплавкых суперсплавов (ТСС) является то, что эти сплавы отображают аналог ?-?' микроструктуры обычных суперсплавов. Таким образом, ТСС должны иметь большую объемную долю дискретных упорядоченных частиц, окруженных тонкими непрерывными каналами неупорядоченной матричной фазы. Размер упорядоченных частиц обычно должен составлять от десятков до нескольких сотен нанометров, а толщина неупорядоченных каналов обычно составляет несколько десятков нанометров или более. Упорядоченная фаза часто бывает кубической, но может быть и сферической. Наконец, упорядоченная и неупорядоченная фазы атомно когерентны или полукогерентны на своих границах раздела.
Другой определяющей характеристикой является то, что ТСС содержит два или более основных огнеупорных элемента. Единого определения тугоплавкого металла не существует. Всегда включаются металлы с температурой плавления (Tпл) выше 2200°C, но также обычно рассматриваются металлы с Tпл до 1850°C [22]. Авторы в своей работе используют более широкое определение, поэтому включены такие элемента, как Cr, Hf, Ir, Mo, Nb, Os, Re, Rh, Ru, Ta, V, W и Zr. Радиоактивный элемент Tc исключен. Хотя это не тугоплавкий элемент, авторы включают Ti в качестве основного элемента ТСС на основании его химического сходства с другими элементами группы 4, его включения в формулу формирования B2 в работах Нака и Хана и его общего использования в ТСС. Al также включен в качестве основного элемента в ТСС, поскольку он обычно используется для формирования упорядоченной фазы. ТСС может иметь высокие концентрации других не тугоплавких элементов, таких как Ni или Co, и может иметь любое количество добавок неосновных элементов.
Из 13 тугоплавких металлов, рассмотренных здесь, восемь имеют структуру ОЦК при Tпл, три - ГПУ (Os, Re, Ru) и два - ГЦК (Ir и Rh). Таким образом, ТСС может быть основан на любой из этих трех кристаллических структур. ТСС на основе ГЦК предлагают повышенную вероятность пластичности, в то время как ТСС на основе ОЦК, вероятно, будут более прочными и гораздо более распространенными.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Senkov O.N., Wilks G.B., Miracle D.B., Chuang C.P., Liaw P.K. Refractory high-entropy alloys // Intermetallics, 18 (2010), pp. 1758-1765. URL: 10.1016/j.intermet.2010.05.014
2. Senkov O.N., Wilks G.B., Scott J.M., Miracle D.B. Mechanical properties of Nb25Mo25Ta25W25 and V20Nb20Mo20Ta20W20 refractory high entropy alloys // Intermetallics, 19 (2011), pp. 698-706. URL: 10.1016/j.intermet.2011.01.004
3. Senkov O.N., Senkova S.V., Woodward C., Miracle D.B. Low-density, refractory multi-principal element alloys of the Cr-Nb-Ti-V-Zr system: microstructure and phase analysis Acta Mater., 61 (2013), pp. 1545-1557. URL: 10.1016/j.actamat.2012.11.032
4. Senkov O.N., Senkova S.V., Miracle D.B., Woodward C. Mechanical properties of low-density, refractory multi-principal element alloys of the Cr-Nb-Ti-V-Zr system // Mater. Sci. Eng. A, 565 (2013), pp. 51-62. URL: 10.1016/j.msea.2012.12.018
5. Senkov O.N., Senkova S.V., Woodward C. Effect of aluminum on the microstructure and properties of two refractory high-entropy alloys // Acta Mater., 68 (2014), pp. 214-228. URL: 10.1016/j.actamat.2014.01.029
6. Senkov O.N., Woodward C., Miracle D.B. Microstructure and properties of aluminum-containing refractory high-entropy alloys // JOM, 66 (2014), pp. 2030-2042. URL: 10.1007/s11837-014-1066-0
7. Yurchenko N.Y., Stepanov N.D., Gridneva A.O., Mishunin M.V., Salishchev G.A., Zherebtsov S.V. Effect of Cr and Zr on phase stability of refractory Al-Cr-Nb-Ti-V-Zr high-entropy alloys // J. Alloy. Compd., 757 (2018), pp. 403-414, 10.1016/j.jallcom.2018.05.099
8. Yurchenko N.Y., Stepanov N.D., Shaysultanov D.G., Tikhonovsky M.A., Salishchev G.A. Effect of Al content on structure and mechanical properties of the AlxCrNbTiVZr (x=0; 0.25; 0.5; 1) high-entropy alloys // Mater. Charact., 121 (2016), pp. 125-134. URL: 10.1016/j.matchar.2016.09.039
9. Senkov O., Isheim D., Seidman D., Pilchak A. Development of a refractory high entropy superalloy // Entropy, 18 (2016), pp. 102-113. URL: 10.3390/e18030102
10. Senkov O.N., Jensen J.K., Pilchak A.L., Miracle D.B., Fraser H.L. Compositional variation effects on the microstructure and properties of a refractory high-entropy superalloy AlMo0.5NbTa0.5TiZr // Mater. Des., 139 (2018), pp. 498-511. URL: 10.1016/j.matdes.2017.11.033

Весь текст будет доступен после покупки