WC의 미세 구조 진화 및 기계적 특성 분석

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 9822(2022) 이 기사 인용

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고엔트로피 합금(HEA)은 우수한 기계적 특성 조합을 나타낼 수 있는 잠재력을 보여준 비교적 새로운 종류의 재료입니다. 까다로운 구조 응용 분야에 사용하기 위해 기계적 특성을 더욱 향상시키기 위해 다양한 미세 구조 변형이 연구되었습니다. 본 연구의 주요 초점은 미세 구조 변화를 포함하여 아르곤 분위기 하에서 아크 용융에 의해 강인한 HEA 매트릭스(CoCrFeNi)에 다양한 양의 경질 세라믹 재료(WC)를 첨가하는 효과를 조사하고 WC 첨가량을 평가하는 것입니다. 기계적 성질에 대해. HEA-WC 복합재의 X선 회절 분석에서는 fcc와 탄화물 상이 모두 존재하는 것으로 나타났습니다. 에너지 분산 분광법을 포함한 주사 전자 현미경 조사에 따르면 크롬이 매트릭스에서 확산되어 WC와 상호 작용하여 합금 탄화물 상을 형성하는 것으로 나타났습니다. HEA 매트릭스에 WC 첨가량이 증가함에 따라 합금 탄화물의 양이 증가하는 것으로 나타났습니다. 기계적 특성 분석에 따르면 HEA-WC 복합재의 경도와 항복 강도는 매트릭스의 탄화물 상 양이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났습니다. HEA-20wt.% WC 샘플의 경도는 베이스 HEA(180HV)의 경도보다 3.3배(593HV) 높은 것으로 나타났으며, 항복강도는 베이스 HEA의 278MPa에서 베이스 HEA의 1098MPa로 증가했습니다. CoCrFeNi-20wt.% WC 복합재. 조사된 복합재는 또한 우수한 연성을 나타냈습니다(CoCrFeNi-10wt% WC의 경우 ~ 50% 변형률, CoCrFeNi-20wt% WC의 경우 ~20% 변형률). 따라서 세라믹 강화 고엔트로피 매트릭스 복합재는 까다로운 구조적 응용 분야에 탁월한 기계적 특성 조합을 제공할 수 있는 잠재력을 갖고 있다고 믿어집니다.

강도와 인성은 고하중의 안전한 내구성을 위해 구조 재료에 필요한 두 가지 주요 특성입니다. 그러나 강도가 증가하면 필연적으로 연성이 약간 희생되고 그에 따라 인성이 손실되는 경우가 많습니다. 예를 들어, 거친 입자의 Ni 금속을 나노 크기로 미세화하면 항복 강도가 53 MPa에서 1.3 GPa로 증가하지만 연성이 심각하게 감소(< 5%)하는 대가를 치르는 것으로 보고되었습니다. 1. 이러한 강도-연성 균형을 극복하기 위해 다양한 시도가 이루어졌습니다. 이와 관련하여 시도된 몇 가지 주목할만한 접근법에는 이종 나노구조2 또는 계층적 미세구조3,4의 개발, 나노 석출 강화5, 오스트템퍼링6 및 구형화7의 사용뿐만 아니라 변환 유도 소성(TRIP)8 또는 쌍정을 장려하는 합금 설계가 포함됩니다. 유도된 가소성(TWIP)9,10. 그럼에도 불구하고, 강도-연성 트레이드오프는 여전히 중요한 문제로 남아 있으며 기존 합금의 기계적 특성이 용량 한계에 가까워지고 있는 것으로 보입니다.

고엔트로피 합금(HEA)은 4개 또는 5개 이상의 원소가 동일한 양으로 동시에 존재하는 것을 기반으로 하는 상대적으로 새로운 종류의 재료를 형성합니다11,12. HEA는 구성 엔트로피, 심한 격자 왜곡, 느린 확산 및 칵테일 효과라는 네 가지 특징적인 효과가 있는 것이 특징입니다. 이러한 효과는 탁월한 열 안정성, 내식성 및 피로 강도는 물론 초소성 신장률 및 극저온에서도 우수한 기계적 특성을 포함하여 기존 합금에 비해 더 나은 특성 조합을 제공하는 것으로 간주됩니다. 18,19,20,21,22,23,24,25,26. HEA는 또한 강도와 연성의 향상된 조합을 나타낼 수 있는 잠재력을 보여주었습니다. 비록 강도가 제한되어 있음에도 불구하고 fcc HEA에서는 우수한 연성이 달성될 수 있는 반면, bcc HEA에서는 강도는 높지만 연성이 제한되어 있다고 보고되었습니다. fcc 및 bcc 고용체 단계에서 이미 일부 유망한 결과가 달성되었습니다27,28,29. 격자간 고용체에 의해 강화된 HEA 개발도 연구되었습니다. HEA 매트릭스에 질소30, 산소31 및 탄소32,33 원자를 추가하면 강도가 향상되지만 연성이 제한되는 것으로 보고되었습니다. TRIP 효과를 활용하는 HEA도 기계적 특성의 더 나은 조합을 찾기 위해 개발되었습니다8,34,35. 응력 하에서 준안정상의 변형이 파괴에 저항하는 능력을 향상시키는 것으로 보고된 경우도 있지만 현재 이와 관련하여 좋은 결과를 나타내는 시스템은 소수에 불과합니다8,34. HEA에서 구배 계층적 미세구조36에 의해 연결된 얇은 변형층과 변형되지 않은 코어의 개발도 연성을 향상시키는 것으로 나타났지만 이에 상응하는 강도의 증가는 미미했습니다. 또한 경질 및 연질상의 미세한 라멜라로 구성된 공융 HEA도 다양한 합금 설계 전략을 사용하여 개발되었습니다. HEA에서 이러한 공융 미세구조를 사용하면 유망한 결과가 나타났습니다. 그러나 HEA에서 공융 미세 구조를 설계하고 제어하는 ​​것은 여러 요소가 동시에 존재하기 때문에 매우 어려운 작업입니다.