Mikrostrukturelle Entwicklung und mechanische Charakterisierung eines WCs

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 9822 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Legierungen mit hoher Entropie (HEAs) sind eine relativ neue Materialklasse, die das Potenzial gezeigt hat, hervorragende Kombinationen mechanischer Eigenschaften aufzuweisen. Verschiedene mikrostrukturelle Modifikationen wurden untersucht, um ihre mechanischen Eigenschaften für den Einsatz in anspruchsvollen Strukturanwendungen weiter zu verbessern. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der Untersuchung der Wirkung der Zugabe unterschiedlicher Mengen an hartem Keramikmaterial (WC) zu einer zähen HEA-Matrix (CoCrFeNi) durch Lichtbogenschmelzen unter einer Argonatmosphäre, einschließlich mikrostruktureller Veränderungen, und der Bewertung der WC-Zusätze auf mechanische Eigenschaften. Die Röntgenbeugungsanalyse der HEA-WC-Verbundwerkstoffe zeigte das Vorhandensein sowohl von fcc- als auch von Carbidphasen. Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen, einschließlich energiedispersiver Spektroskopie, zeigen, dass Chrom aus der Matrix diffundiert und mit WC interagiert, um eine legierte Karbidphase zu bilden. Es wurde festgestellt, dass die Menge an legiertem Karbid mit zunehmender Menge an WC-Zugabe zur HEA-Matrix zunimmt. Die mechanische Charakterisierung ergab, dass Härte und Streckgrenze der HEA-WC-Verbundwerkstoffe mit zunehmender Menge der Karbidphase in der Matrix zunehmen. Es wurde festgestellt, dass die Härte der HEA-20-Gew.-%-WC-Probe das 3,3-fache (593 HV) der Härte des Basis-HEA (180 HV) betrug, während die Streckgrenze von 278 MPa für das Basis-HEA auf 1098 MPa anstieg der CoCrFeNi-20 Gew.-% WC-Verbund. Die untersuchten Verbundwerkstoffe zeigten auch hervorragende Duktilitätswerte (~ 50 % Dehnung für CoCrFeNi-10 Gew.-% WC und ~ 20 % Dehnung für CoCrFeNi-20 Gew.-% WC). Man geht daher davon aus, dass keramikverstärkte Verbundwerkstoffe mit hoher Entropiematrix das Potenzial haben, herausragende Kombinationen mechanischer Eigenschaften für anspruchsvolle Strukturanwendungen bereitzustellen.

Festigkeit und Zähigkeit sind die beiden Schlüsseleigenschaften, die bei Strukturmaterialien erforderlich sind, um hohen Belastungen sicher standzuhalten. Festigkeitssteigerungen gehen jedoch bei vielen Materialien zwangsläufig mit einem gewissen Verlust an Duktilität und einem entsprechenden Verlust an Zähigkeit einher. Beispielsweise wurde berichtet, dass die Kornverfeinerung von grobkörnigem Ni-Metall in den Nanobereich zu einer Erhöhung der Streckgrenze von nur 53 MPa auf 1,3 GPa führt, allerdings auf Kosten einer starken Abnahme der Duktilität (auf < 5 %). 1. Es wurden verschiedene Versuche unternommen, diesen Kompromiss zwischen Festigkeit und Duktilität zu überwinden. Einige bemerkenswerte Ansätze, die in dieser Hinsicht ausprobiert wurden, umfassen die Entwicklung heterogener Nanostrukturen2 oder hierarchischer Mikrostrukturen3,4, die Verwendung von Nanopräzipitationsverstärkung5, Austemperierung6 und Sphäroidisierung7 sowie das Legierungsdesign, um entweder transformationsinduzierte Plastizität (TRIP)8 oder Zwillingsbildung zu fördern induzierte Plastizität (TWIP)9,10. Dennoch bleibt der Kompromiss zwischen Festigkeit und Duktilität ein offenes Thema und es scheint zunehmend, dass die mechanischen Eigenschaften herkömmlicher Legierungen an ihre Kapazitätsgrenzen stoßen.

Hochentropielegierungen (HEAs) bilden eine relativ neue Materialklasse, die auf der gleichzeitigen Anwesenheit von vier oder fünf oder mehr Elementen in gleichen Mengen11,12 basiert. HEAs zeichnen sich durch das Vorhandensein von vier charakteristischen Effekten aus, nämlich Konfigurationsentropie, starke Gitterverzerrung, träge Diffusion und Cocktaileffekt11,13,14. Man geht davon aus, dass diese Effekte für bessere Eigenschaftskombinationen im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen verantwortlich sind, darunter hervorragende thermische Stabilität, Korrosionsbeständigkeit und Dauerfestigkeit sowie superplastische Dehnung und bessere mechanische Eigenschaften selbst bei kryogenen Temperaturen12,15,16,17. 18,19,20,21,22,23,24,25,26. HEAs haben auch das Potenzial gezeigt, verbesserte Kombinationen aus Festigkeit und Duktilität aufzuweisen. In fcc-HEAs kann eine hervorragende Duktilität erreicht werden, wenn auch mit begrenzter Festigkeit, während für bcc-HEAs über eine hohe Festigkeit, aber begrenzte Duktilität berichtet wurde. Daher wurden verschiedene Versuche unternommen, die Kombinationen aus Festigkeit und Duktilität in HEAs durch die Gestaltung von HEAs weiter zu verbessern Sowohl in der fcc- als auch in der bcc-Phase der festen Lösung wurden bereits einige vielversprechende Ergebnisse erzielt27,28,29. Die Entwicklung von HEAs, die durch interstitielle Feststofflösungen verstärkt werden, wurde ebenfalls untersucht. Es wurde berichtet, dass die Zugabe von Stickstoff-30-, Sauerstoff-31- und Kohlenstoff-32,33-Atomen zu einer HEA-Matrix die Festigkeit verbessert, jedoch auf Kosten einer begrenzten Duktilität. HEAs, die den TRIP-Effekt nutzen, wurden auch auf der Suche nach besseren Kombinationen mechanischer Eigenschaften entwickelt8,34,35. In einigen Fällen wurde berichtet, dass die Umwandlung metastabiler Phasen unter Belastung die Widerstandsfähigkeit gegen Brüche verbessert. Derzeit konnten jedoch nur wenige Systeme nachweislich gute Ergebnisse in dieser Hinsicht erzielen8,34. Es wurde gezeigt, dass die Entwicklung einer dünnen verformten Schicht und eines unverformten Kerns, die durch eine hierarchische Gradientenmikrostruktur36 in einer HEA verbunden sind, auch die Duktilität verbessert, allerdings nur mit einem geringen entsprechenden Anstieg der Festigkeit. Darüber hinaus wurden auch eutektische HEAs entwickelt, die aus feinen Lamellen harter und weicher Phasen bestehen37,38, indem unterschiedliche Legierungsdesignstrategien eingesetzt wurden. Die Verwendung solcher eutektischer Mikrostrukturen in HEAs hat vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Das Design und die Kontrolle eutektischer Mikrostrukturen in HEAs ist jedoch aufgrund der gleichzeitigen Anwesenheit mehrerer Elemente eine äußerst schwierige Aufgabe.

In jüngster Zeit ist auch die Idee aufgetaucht, eine HEA-Matrix mit einer keramischen Phase zu verstärken, um bessere Kombinationen mechanischer Eigenschaften zu erhalten. Die Entwicklung solcher HEA-Verbundwerkstoffe wurde sowohl durch Ex-situ-Zusätze diskreter Keramikpartikel als auch durch In-situ-Bildung keramischer Phasen in einer HEA-Matrix versucht39. Das Hauptaugenmerk bei HEA-Verbundwerkstoffen auf Basis einer fcc-Matrix liegt auf der Verbesserung der Streckgrenze und Zugfestigkeit ohne Beeinträchtigung der Duktilität, basierend auf der Idee, dass eine fcc-Matrix eine gute Zähigkeit bieten kann, während die Keramikphase zu einer hohen Festigkeit beiträgt. In einer aktuellen Studie wurde ein CoCrFeMnNi-fcc-HEA mit TiC- und TiN-Partikeln verstärkt, was zu einer deutlichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften führte40,41,42. In ähnlicher Weise wurde die In-situ-Bildung von TiC auch im (CoCrFeNi)AlxCuy HEA-System43 untersucht. Eine Verbesserung der Plastizität und Bruchzähigkeit von bcc-HEAs kann auch dazu beitragen, das Ziel einer besseren Kombination aus Festigkeit und Duktilität zu erreichen. Beispielsweise führte die Zugabe von TiC und TaC zu Mo0,5NbHf0,5ZrTi bcc HEA44,45 zur Entwicklung einer eutektischen Mikrostruktur und zum Vorhandensein von Metallkarbidausscheidungen, wobei die bcc-Phase in der Mikrostruktur dazu beitrug, eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Qualität zu erzielen Duktilität.

In der vorliegenden Studie konzentrieren wir uns auf die Entwicklung keramisch verstärkter HEA-Verbundwerkstoffe mit einer fcc-Matrix als Teil einer umfassenderen Suche nach Materialien mit verbesserten Kombinationen aus Festigkeit und Duktilität. Als Matrixmaterial für die Studie wurde das CoCrFeNi-System als eines der am häufigsten untersuchten fcc-HEAs ausgewählt. Als Keramikphase wird WC gewählt, da es eine relativ gute Zähigkeit aufweist und als hochdichtes Keramikmaterial in anspruchsvollen Anwendungen weit verbreitet ist. Unter Verwendung dieser Ausgangsmaterialien wurden CoCrFeNi-WC-Verbundwerkstoffe durch einen Lichtbogenschmelzprozess hergestellt. Die Entwicklung der Mikrostruktur und der Kristallstruktur wurde als Funktion des WC-Gewichtsanteils untersucht, zusammen mit einer Untersuchung der mechanischen Eigenschaften der HEA-Keramik-Verbundwerkstoffe.

Als Rohstoffe wurden hochreine Elementarpulver aus Kobalt, Chrom, Eisen und Nickel sowie Wolframcarbid (WC)-Keramikpulver (Reinheit > 99,95 %) verwendet. Metallpulver mit unterschiedlichen Zusätzen von WC-Pulver (0, 5, 10 oder 20 Gew.-%) wurden in einem Achatmörser gemischt und anschließend unter einer hochreinen Argonatmosphäre im Lichtbogen geschmolzen, um HEA-Verbundknöpfe mit einem Gewicht von 20 g herzustellen. Jede Zusammensetzung wurde fünfmal erneut geschmolzen, wobei die Proben nach jedem Schmelzen umgedreht wurden, um die chemische Homogenität sicherzustellen. Messungen vor und nach dem Schmelzen ergaben einen Gewichtsunterschied von weniger als 0,5 %. Das Schneiden der HEA-Verbundknöpfe zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften sowie zur Untersuchung der Phasenzusammensetzung, Mikrostruktur und chemischen Analyse erfolgte mittels elektrischem Entladungsdrahtschneiden. Proben für die mikrostrukturelle Bewertung wurden sorgfältig unter Verwendung standardmäßiger metallografischer Vorbereitungsverfahren vorbereitet und anschließend mit Königswasser geätzt. Die Mikrostruktur wurde sowohl mit einem optischen Mikroskop (OPTIKA-600) als auch mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM; JEOL JSM-6490LA und VEGA-3) untersucht, ausgestattet mit einem energiedispersiven Röntgenspektroskopiesystem (EDS) von Bruker. Die Charakterisierung der Kristallstruktur der Verbundwerkstoffe wurde mit einem Röntgenbeugungssystem (XRD) durchgeführt, das mit einer CuKα-Quelle bei einer Schrittgröße von 0,04° betrieben wurde. Vickers-Mikrohärtemessungen wurden an polierten Querschnittsflächen mit einem 136° Vickers-Diamant-Pyramiden-Eindringkörper durchgeführt. Die Vickers-Härte (HV0,3) wurde unter einer Kraft von 300 N und einer Verweilzeit von 15 s gemessen. Der Kompressionstest bei Raumtemperatur wurde mit einer SHIMADZU-Universalprüfmaschine durchgeführt, wobei die Tests bei einer anfänglichen Dehnungsrate von 1 × 10–3 s−1 durchgeführt wurden.

Diese Studie wurde von der Higher Education Commission of Pakistan (HEC-NRPU-Projekt Nr. 6019) finanziert.

Eine Probe einer HEA-Matrix ohne WC-Zusatz wurde vor der Untersuchung der HEA-Keramik-Verbundwerkstoffe charakterisiert, um ein Referenzmaterial bereitzustellen. Eine beispielhafte REM-Aufnahme des CoCrFeNi-HEA im Gusszustand ist in Abb. 1a dargestellt, zusammen mit der begleitenden EDS-Analyse an ausgewählten Stellen in Abb. 1b. Die Ähnlichkeit der EDS-Ergebnisse an verschiedenen Orten bestätigt die chemische Homogenität des einphasigen HEA. Das in Abb. 1c gezeigte XRD-Muster des Basis-CoCrFeNi-HEA bestätigt auch, dass es sich bei der Basislegierung um eine einphasige fcc-Mischkristalllösung handelte, was gut mit den SEM-Mikrostrukturbeobachtungen übereinstimmt.

Charakterisierung des Basis-CoCrFeNi-HEA: (a) SEM-Aufnahme, (b) EDS-Analyse der drei in (a) markierten Regionen und (c) XRD-Muster, das die Zusammensetzung der einzelnen fcc-Phase zeigt.

XRD-Muster von HEA-Verbundwerkstoffen, die durch Lichtbogenschmelzen unter Argonatmosphäre mit 5, 10 und 20 Gew.-% WC hergestellt wurden, sind in Abb. 2 dargestellt, wo auch die Daten für das einphasige HEA über denselben 2θ-Bereich als Referenz wiedergegeben sind. Die XRD-Daten zeigen deutlich das Vorhandensein von Peaks, die der fcc-Phase sowie einer legierten Carbidphase entsprechen. Es wurden keine Peaks beobachtet, die der Anwesenheit von reinem WC entsprachen. Die chemische Affinität von Chrom zu Kohlenstoff ist viel höher als die Affinität von W zu Kohlenstoff (die freien Gibbs-Energien von Cr23C6, Cr7C3 und Cr3C2 betragen − 343,9 kJ/mol, − 144,4 kJ/mol bzw. − 72,3 kJ/mol46). Man geht daher davon aus, dass es beim Schmelzen zu einer chemischen Wechselwirkung zwischen WC und Chrom kommt, die zum Zerfall des WC und zur Bildung von Chromkarbiden führt. Rasterelektronenmikroskopie und EDS-Analyse wurden durchgeführt, um diese Hypothese weiter zu untersuchen und die Wirkung von WC-Zusätzen auf die Mikrostruktur der CoCrFeNi-HEA-Phase zu bewerten. Beispielhafte REM-Bilder der hochentropischen Verbundwerkstoffe mit anfänglichen WC-Gehalten von 5, 10 und 20 Gew.-% sind in Abb. 3 dargestellt.

Röntgenbeugungsmuster der CoCrFeNi-WC-Komposite zusammen mit Daten für das einphasige CoCrFeNi HEA.

Beispielhafte Rasterelektronenmikroskopaufnahmen von Verbundproben, hergestellt aus (a) CoCrFeNi-5 Gew.-% WC (b) CoCrFeNi-10 Gew.-% WC (c) CoCrFeNi-20 Gew.-% WC. Es ist eine eutektische Mikrostruktur bestehend aus einer legierten Karbidphase (weiß) und einer Matrixphase (grau) zu erkennen, wobei der Volumenanteil der eutektischen Phase mit zunehmender WC-Zugabe deutlich zunimmt.

Die SEM-Beobachtungen ergaben das Vorhandensein einer zweiphasigen Mikrostruktur, die in den Mikroaufnahmen von Abb. 3 als graue Matrixphase und leichter legierte Karbidphase zu sehen ist (im Folgenden als weiß bezeichnet, obwohl diese je nach SEM-Bedingungen auch hellgrau erscheinen kann). ). Das Vorhandensein einer eutektischen Mikrostruktur (bestehend aus einer dunkelgrauen Phase und einer weißen Phase) ist auch an den Korngrenzen der HEA-5wt%WC-Legierung zu erkennen (Abb. 3a). Es wurde festgestellt, dass die Menge der eutektischen Phase mit zunehmender Menge der WC-Zugabe zunimmt.

Beispielhafte chemische Zusammensetzungen sowohl der Matrix- als auch der Karbidbereiche in der CoCrFeNi-20 Gew.-% WC-Legierung, wie sie aus EDS-Messungen ermittelt wurden, sind in Abb. 4a,b dargestellt. Die EDS-Analyse der Matrix (gekennzeichnet durch Position A in Abb. 4a) ergab mehr oder weniger äquiatomare Konzentrationen von Co, Fe und Ni, mit einem deutlichen Rückgang der Chrommenge im Vergleich zur Referenzlegierung (ohne WC-Zusatz). In der Matrix wurde auch eine kleine Menge W gefunden. Die chemische Analyse der Phase mit weißem Kontrast (z. B. Position B in Abb. 4a) zeigte relativ hohe Mengen an Cr und W, was mit der Diffusion von Chrom aus der Matrix und der chemischen Wechselwirkung mit WC übereinstimmt. Diese weiße Phase wurde als legiertes Karbid identifiziert, da die relative Intensität der Peaks, die einer legierten Karbidphase in den XRD-Mustern entsprechen, mit zunehmender Menge an WC-Zugabe im HEA-Keramik-Verbundstoff ebenfalls zunahm.

(a) SEM-Bild und (b) EDS-Analyse des CoCrFeNi-20 Gew.-% WC-Verbundwerkstoffs.

Basierend auf diesen Beobachtungen wird angenommen, dass es während des Schmelzens zu Wechselwirkungen zwischen WC und den HEA-Komponenten, insbesondere Cr, kommt, die zur Bildung einer legierten Karbidphase führen. Dadurch wird das W teilweise in der Matrix und teilweise in der Karbidphase gelöst. Ein Vergleich der in Abb. 3 gezeigten REM-Bilder zeigt außerdem, dass die Zugabe von WC bildungsbedingt zu einer Korngrößenverfeinerung führt, sowohl beim 5 Gew.-% WC-Komposit als auch bei den höheren Gew.-% Kompositen der eutektischen und legierten Karbidphasen. Der Volumenanteil der Legierungskarbidphase nimmt mit zunehmender Menge an WC-Zugabe zu, mit einer entsprechenden Abnahme der Korngröße. Eine leichte Verschiebung der fcc-Peaks in den HEA-WC-Verbundwerkstoffen nach links für 5 Gew.-% WC und 10 Gew.-% WC Legierungen (im Vergleich zum Basis-HEA) trotz der Diffusion von Chrom nach außen, erklärt sich aus der Tatsache, dass W mit großer Atomgröße in der Matrix gelöst wird. Bei der Legierung mit 20 Gew.-% WC wird eine große Menge an Karbidphase gebildet. Infolgedessen überwiegt die Auswirkung der Diffusion von Chrom aus der fcc-Matrix auf den Gitterparameter gegenüber der Auswirkung der Zugabe von W zur Matrix, was zu einer leichten Verschiebung des fcc-Peaks nach rechts führt.

Die Auswirkung der oben genannten mikrostrukturellen Veränderungen auf die mechanischen Eigenschaften der HEA-Verbundwerkstoffe wurde mithilfe von Härte- und Drucktests bewertet. Die Ergebnisse der Härtemessungen sind in Abb. 5a dargestellt. Die Härte des Basis-HEA betrug 180 HV und stieg linear mit zunehmender Menge an WC-Zugabe an. Es wurde festgestellt, dass die Härte der HEA-20-Gew.-%-WC-Probe das 3,3-fache (593 HV) der Härte des Basis-HEA betrug. Der Anstieg der Härte wurde sowohl auf eine Gitterverzerrung infolge der Diffusion von W in die Matrix als auch auf die Zunahme der Menge der Legierungskarbidphase zurückgeführt. Die Streckgrenze und Duktilität der HEA-WC-Verbundwerkstoffe wurden durch Drucktests bewertet. Technische Spannungs-Dehnungs-Kurven von HEA-Verbundwerkstoffen sind in Abb. 5b dargestellt, während die Variation der Streckgrenze (definiert als 0,2 %-Dehngrenze) als Funktion der Menge an hinzugefügtem WC in der Vorlegierung in Abb. 5c dargestellt ist.

Mechanische Eigenschaften der HEA-WC-Verbundwerkstoffe: (a) Variation der Härte als Funktion der Menge an hinzugefügtem WC (Beladungsanteil); (b) Druckspannungs-Dehnungs-Kurven; und (c) Variation der Streckgrenze (0,2 % Dehngrenze) als Funktion der Menge an zugesetztem WC.

Die Kompressionstestkurven für die Verbundwerkstoffe CoCrFeNi HEA und CoCrFeNi-5 Gew.-% WC zeigen ein konkaves Aussehen, während die Kompressionskurven der Verbundwerkstoffe CoCrFeNi-10 Gew.-% WC und CoCrFeNi-20 Gew.-% WC eine konvexe Form aufweisen. Eine Spannungs-Dehnung mit konkavem Erscheinungsbild ist typischerweise charakteristisch für die Aktivierung von Zwillings- oder TRIP-Effekten, während eine durch Versetzungsgleiten dominierte Verformung typischerweise zu einem konvexen Profil führt 47, 48. Die Beobachtungen deuten daher auf eine Änderung des Verformungsmodus hin, wenn die Menge an zugesetztem WC im Basis-HEA (Vorlegierung) auf 10 % und mehr ansteigt. Die Variation der Streckgrenze als Funktion der WC-Menge im HEA-Verbundwerkstoff ist in Abb. 5c dargestellt. Die Streckgrenze steigt von 278 MPa für den Basis-HEA auf 1098 MPa für den Verbundwerkstoff CoCrFeNi-20 Gew.-% WC, was den bei den Härtemessungen beobachteten Anstieg widerspiegelt. Neben der deutlichen Steigerung der Streckgrenze wurde festgestellt, dass die Verbundwerkstoffe auch hervorragende Duktilitätswerte beibehielten. Insbesondere die HEAs mit 10 Gew.-% WC-Zusatz und 20 Gew.-% WC-Zusatz zeigten eine gute Bruchdehnung und erreichten Werte von etwa ~ 50 % bzw. ~ 20 % Dehnung sowie hohe Druckfestigkeitswerte. Eine aus den WC-Zusätzen resultierende Festigkeitssteigerung ohne signifikante Abnahme der Duktilität wurde auf drei verschiedene Aspekte der mikrostrukturellen Veränderungen in den HEA-Verbundwerkstoffen zurückgeführt: (1) Korngrößenverfeinerung, (2) Dispersionsverstärkung und (3) das Vorhandensein von a Feine eutektische Mikrostruktur bestehend aus harten (Karbiden) und weichen (fcc) Phasen.

Die Verfeinerung der Korngröße wird auf die Förderung der heterogenen Keimbildung während der Erstarrung durch Chromkarbide zurückgeführt, die durch den Zerfall von WC und die Wechselwirkung des freigesetzten C mit Cr in der HEA-Matrix entstehen. Eine feine Korngröße trägt bekanntermaßen zur Homogenisierung des Schlickers bei, fördert die Duktilität und führt über die Hall-Petch-Beziehung auch direkt zu einer Festigkeit. Eine verstärkte Kaltverfestigung in der Legierung aufgrund der Zwillingsbildung verlängert auch das Einschnürungsstadium und verbessert dadurch die Duktilität29. Es wird erwartet, dass legierte Karbidpartikel auch in Form von feinen Partikeln vorliegen, die in der Matrixphase dispergiert sind. Es ist zu erwarten, dass das Vorhandensein solch feiner Karbide zu einer Erhöhung der Kaltverfestigungsfähigkeit durch Wechselwirkungen zwischen Versetzung und Partikeln sowie zur Förderung der Gleithomogenität innerhalb jedes Korns führt. Letzteres führt zu einem verzögerten Aufbau von Versetzungsanhäufungsspannungen an den groben Korngrenzenkarbiden, was auch zu einem verbesserten Gleichgewicht von Festigkeit und Duktilität in den Verbundwerkstoffen beiträgt. In ähnlicher Weise kann erwartet werden, dass das Vorhandensein einer mesoskaligen Verteilung der größeren Legierungskarbide (wie in Abb. 3 und 4 zu sehen ist) einen Anstieg der Dichte geometrisch notwendiger Versetzungen in Bereichen der HEA-Matrix neben den härteren Legierungskarbiden während der Verformung fördert . Es wurde bereits berichtet, dass ein Unterschied sowohl in den Wärmeausdehnungskoeffizienten als auch in den Elastizitätsmodulen zwischen der HEA-Matrix und den ausgeschiedenen Karbiden die Verbundwerkstoffeigenschaften verbessert40,49.

Die Entwicklung einer feinskaligen eutektischen Mikrostruktur, bestehend aus einer harten (Karbid-)Phase und einer weicheren fcc-Phase, trägt ebenfalls direkt zu einer Verbesserung der Festigkeit bei. Darüber hinaus führt die Verteilung dieser eutektischen Phase im Mikrometerbereich, insbesondere in der 10 % WC-Verbundprobe, zu einer hierarchischen Hart/Weich-Mikrostruktur, was sowohl der Festigkeit als auch der Plastizität der HEA-WC-Verbundwerkstoffe zugute kommt. Es kann auch festgestellt werden, dass das Vorhandensein der eutektischen Phase auch dazu beitragen kann, Gießbarkeitsprobleme zu reduzieren, indem die Möglichkeit einer schädlichen Entmischung verringert wird.

Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen, dass keramikverstärkte Verbundwerkstoffe mit hoher Entropiematrix dazu beitragen können, das Ziel zu erreichen, Legierungen mit verbesserten Kombinationen aus Festigkeit und Duktilität zu erhalten. Die Auswahl der keramischen Verstärkung für eine bestimmte HEA-Matrix und der dazugehörigen Verarbeitungsroute ist in diesem Zusammenhang jedoch sehr wichtig. Unter den in der CoCrFeNi-Matrix vorhandenen Elementen hat Chrom die stärkste Affinität zur Bildung von Karbiden und führt daher aufgrund der negativen Enthalpie für die Bildung von Cr-Karbiden zum Zerfall von WC46,50. In einer früheren Studie wurde dieselbe HEA-Matrix durch Funkenplasmasintern von mechanisch legiertem HEA/WC-Pulver mit WC verstärkt. In dieser Arbeit wurde das Vorhandensein von vier verschiedenen Phasen festgestellt, nämlich einer fcc-Matrixphase, WC, Karbiden vom Typ M23C6 und Karbiden vom Typ M7C350. Die Festigkeit der Verbundwerkstoffe im gesinterten Zustand war hoch, der Verbundwerkstoff litt jedoch aufgrund der Bildung verschiedener Karbide unter einer geringen Duktilität. Dies wurde auf das Vorhandensein eines Prozesskontrollmittels sowie auf andere Verunreinigungen während des mechanischen Legierens zurückgeführt. In einer anderen Studie wurde das CoCrFeNi HEA-System mit WC verstärkt und durch Vakuum-Heißpresssintern als Beschichtung auf ein Stahlsubstrat aufgetragen, mit dem Ziel, die Oberflächeneigenschaften des Stahls zu verbessern. Die resultierende Mikrostruktur enthielt etwas WC sowie andere Karbide, die alle gleichmäßig in der fcc-Phase verteilt waren51, und es wurde eine Verbesserung sowohl der Härte als auch der Verschleißfestigkeit festgestellt. Zusammen mit der vorliegenden Studie deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die gleiche Kombination aus keramischer Verstärkungsphase und HEA-System je nach angewandtem Verarbeitungsweg zur Bildung unterschiedlicher Mikrostrukturtypen führen kann, was zu einer unterschiedlichen Veränderung der mechanischen Eigenschaften führt in jedem Fall.

Keramisch verstärkte HEA-Matrix-Verbundwerkstoffe wurden erfolgreich durch Zugabe von WC zu einer CoCrFeNi-Matrix über einen Lichtbogenschmelzweg hergestellt.

Chemische Analyse und Kristallstrukturanalyse zeigen die Wechselwirkung von WC mit den HEA-Komponenten. Insbesondere verbindet sich Chrom mit zersetztem WC und bildet eine legierte Karbidphase in der fcc-HEA-Matrix.

Mikrostrukturelle Untersuchungen zeigen das Vorhandensein von legierten Karbiden sowohl an den Korngrenzen als auch als Teil einer eutektischen Phase. Es wurde festgestellt, dass die Menge der legierten Karbidphase mit zunehmender WC-Zugabe im HEA-Verbundwerkstoff zunimmt.

Die mechanische Charakterisierung zeigt, dass die Härte und Streckgrenze der HEA-Verbundwerkstoffe mit zunehmender Menge an Karbidphase in der Matrix zunehmen. Es wurde festgestellt, dass die Härte der HEA-20 Gew.-% WC-Verbundprobe (593 HV) das 3,3-fache der Härte des Basis-HEA (180 HV) betrug, während die Streckgrenze von 278 MPa für das Basis-HEA auf 1098 MPa anstieg für den CoCrFeNi-20 Gew.-% WC-Verbundwerkstoff.

Die HEA-Verbundwerkstoffe behalten eine ausgezeichnete Duktilität bis zum Versagen (~ 50 % Dehnung für CoCrFeNi-10 Gew.-% WC und ~ 20 % Dehnung für CoCrFeNi-20 Gew.-% WC). Man geht daher davon aus, dass die Entwicklung von HEA-Verbundwerkstoffen dazu beitragen kann, Legierungen mit verbesserten Kombinationen aus Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit zu erzielen.

Die zur Untermauerung der Ergebnisse dieser Studie verwendeten Daten sind im Artikel enthalten.

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Syed Waqas Hussain, M. Adil Mehmood und Khurram Yaqoob

Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Ghulam Ishaq Khan Institute of Engineering Sciences and Technology, Topi, Swabi, 23640, KPK, Pakistan

M. Ramzan Abdul Karim

Laboratory of Advanced Materials (MoE), School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Peking, 100084, China

Andy Godfrey

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SWH und MAM führten experimentelle Arbeiten durch und verfassten das Hauptmanuskript. MRAK und AG stellten Rohmaterialien zur Verfügung und halfen bei der Erklärung der mechanischen Reaktion der entwickelten Verbundwerkstoffe. KY stellte sich das Thema vor, überwachte die experimentelle Arbeit und stellte den Entwurf des Manuskripts für die Abschlussarbeit fertig.

Korrespondenz mit Khurram Yaqoob.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hussain, SW, Mehmood, MA, Karim, MRA et al. Mikrostrukturelle Entwicklung und mechanische Charakterisierung eines WC-verstärkten CoCrFeNi HEA-Matrix-Verbundwerkstoffs. Sci Rep 12, 9822 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-13649-5

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Eingegangen: 18. November 2021

Angenommen: 15. April 2022

Veröffentlicht: 14. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-13649-5

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Mikrostrukturelle Entwicklung und mechanische Charakterisierung eines WCs