Design and processing of multi-phase high entropy alloys

Abstract

The multi-principal element alloys (MPEAs) known as high- and medium-entropy alloys possess promising properties due to their highly distorted atomic crystal structures. Employing multi-elements as principal elements has enabled a new platform for novel alloy designs and fabrications. Adding other phases as a heterogeneous phase in MPEAs structures can boost the mechanical behavior. Therefore, the heterogeneous MPEAs address the strength-strain trade-off in most of the conventional alloys. In this thesis, the microstructural evolution and mechanical behavior of two novel heterogeneous high-entropy alloys (HEA) are investigated through thermo-mechanical processing. Using the CALPHAD approach the compositions have been confirmed and subsequently cast. The homogenized samples for both compositions possessed a single-phase uniaxed face centered subic (FCC) structure with high ductility. Possessing high ductility levels in the homogenized condition enabled us to apply high thickness reductions via rolling at room temperature without crack propagation from edges. This study confirms that the sigma phase contribution becomes more significant in the microstructure at higher annealing temperatures. However, the body centered cubic (BCC) phase contribution as a suitable hard-domain becomes less with increasing the annealing temperature. As such, a systematic approach to investigate the effects of the sigma phase and degree of recrystallization on the microstructure and mechanical behavior of the HEAs is presented. In addition, samples subjected to annealing exhibit transformation-induced plasticity (TRIP) under plastic deformation. Results show that the sigma phase can limit the TRIP mechanism in the alloy system since the TRIP-assisted BCC phase is decreased with increased sigma phase present in the microstructure. As such, the designed TRIP-assisted multi-phase HEA enables a combination of 1 GPa yield strength and about 10% of strain at failure for the optimum condition of post-rolled annealed at 750 ℃ for 30 minutes samples. Moreover, this work introduces a novel high strength HEA with proposing a proper combination of homogenization, rolling, annealing, and aging sequences and details for this composition.

Yüksek ve orta entropili alaşımlar (YEA) olarak bilinen çoklu element alaşımlar (MPEA), yüksek seviyede çarpılmaya uğramış kristal yapıları nedeniyle pratikte umut vadeden özelliklere sahiptir. Çoklu element yapılarının, ana elementler olarak kullanılması, yeni alaşım tasarımları ve bunların üretimi için yeni bir platform sağlamaktadır. MPEA bir yapıya eklenen başka bir heterojen faz, bu alaşımların mekanik özelliklerinin gelişmesini sağlamaktadır. Bu nedenle, heterojen MPEA'lar, geleneksel alaşımların çoğunda görülen mukavemet-gerinim takasını ele almaktadır. Bu tezde, iki yeni heterojen yüksek entropi alaşımının (HEA) mikro yapıdaki değişimleri ve mekanik özellikleri, termo-mekanik prosesler ile incelenmiştir. CALPHAD kullanılarak alaşımların bileşimi kontrol edilmiş ve doğrulanmıştır. Buna göre alaşımların döküm işlemi gerçekleştirilmiştir. Homojenize edilen numunelerin, yüksek sünekliğe sahip, tek fazlı ve eş eksenli yüzey merkezli kübik (YMK) yapıya sahip olduğu gözlemlenmiştir. Alaşımların sahip olduğu yüksek süneklik özelliği, oda sıcaklığında uygulanan haddeleme işlemi sırasında herhangi bir çatlak oluşumu meydana gelmeden malzeme kalınlığının daha fazla azaltılabilmesini sağlamıştır. Bu çalışma, daha yüksek tavlama sıcaklıklarında mikro yapıda bulunan sigma fazının etkisinin daha önemli hale geldiğini doğrulamaktadır. Ancak, daha sert yapıda olan hacim merkezli kübik (HMK) fazının katkısı, artan tavlama sıcaklığının ile ters orantılı olarak azalmıştır. Bu çalışmada, sigma fazının ve rekristalizasyon derecesinin YEA'nın mikroyapı gelişimi ve mekanik özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bunlara ek olarak, tavlama ısıl işlemi uygulanan numuneler, plastik deformasyon altında dönüşüm kaynaklı plastisite (TRIP) davranışı sergilemektedir. Sonuçlar incelendiğinde sigma fazının TRIP mekanizmasını sınırlandırdığı görülmüştür. Keza TRIP destekli HMK fazı sigma fazı arttıkça düşüş göstermektedir. Bu nedenle, bu çalışmada tasarlanan TRIP destekli, çok fazlı YEA, 30 dakika 750°C'de tavlanan numunelerde akma mukavemeti 1 GPa olarak gözlenmiş ve kopma noktasında yaklaşık %10 gerinim elde edilen bir alaşım kombinasyonu sağlanmıştır. Ayrıca, bu çalışma homojenleştirme, haddeleme, tavlama ve yaşlandırmanın uygun bir kombinasyonunu önererek yüksek mukavemete sahip yeni bir HEA sunar.