다결정 Nb20.6Mo21.7Ta15.6W21.1V21.0의 원자 내화성이 얼마나 높은가

May 05, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 5183(2022) 이 기사 인용

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단결정 및 다결정 Nb20.6Mo21.7Ta15.6W21.1V21.0 내화성 고엔트로피 합금(RHEA)의 용융 메커니즘은 두 번째로 가까운 이웃 수정 내장 원자 방법(2NN MEAM)을 사용하여 분자 역학(MD) 시뮬레이션을 통해 조사되었습니다. ) 잠재적인. 단결정 RHEA의 경우 밀도 프로파일은 2910~2940K의 온도에서 11.25~11.00g/cm3의 급격한 감소를 나타내며 이는 모든 원자가 상당한 국지적 구조 재배열을 시작함을 나타냅니다. 다결정 RHEA의 경우 2단계 용융 공정이 있습니다. 첫 번째 용융 단계에서 결정립계(GB) 영역의 용융은 먼저 해당 시스템 용융점보다 상대적으로 낮은 사전 용융 온도에서 발생합니다. 용융 전 온도에서 대부분의 GB 원자는 평형 위치를 벗어나기에 충분한 운동 에너지를 가지며 점차적으로 GB에 가까운 입자 원자의 재배열을 유도합니다. 녹는점의 두 번째 녹는 단계에서 대부분의 입자 원자는 재배열하기에 충분한 운동 에너지를 가지므로 모든 쌍의 화학적 단거리 순서 변경이 발생합니다.

고온, 고압 등 극한의 작업 환경에서 사용되는 소재는 산업적 적용이 시급합니다. 예를 들어, 항공우주 산업에서 가스 터빈 엔진의 효율성을 향상시키기 위해 엔진 작동 온도를 높이는 것이 가장 효과적인 방법 중 하나입니다1. 그러나 가장 일반적으로 사용되는 고온 구조 재료인 니켈 기반 초합금은 자체 녹는점이 약 1300°C로 최대 작동 온도를 제한합니다2,3. 따라서 재료의 녹는점이 충분히 높은 것이 매우 중요합니다4. 다중 주원소 합금(MPEA)으로도 알려진 고엔트로피 합금(HEA)은 4개 이상의 주요 원소 유형으로 구성됩니다5. HEA 내에서는 모든 구성 요소가 가장 균일한 분포로 배열되어 높은 경도6, 고강도 및 연성 조합7,8, 우수한 피로 저항9, 고온 미세 구조 및 기계적 안정성10, 탁월한 전자기 특성11, 탁월한 내마모성12 등 우수한 재료 특성을 제공합니다. 내식성13, 산화 저항성14.

모든 HEA 중에서 내화성 고엔트로피 합금(RHEA)은 일반적으로 W, Mo, Ta, Nb, Zr 및 Re15와 같은 하나 이상의 구성 내화 원소를 가지고 있습니다. 내화 요소가 없는 HEA의 경우 고온 및 중온에서 열악한 상 안정성과 낮은 가소성은 고온에서의 적용을 제한하는 두 가지 병목 현상입니다. 따라서 RHEA는 우수한 내열성, 높은 융점(> 2000°C) 및 더 높은 고온 강도를 나타내어 고온 장비에 응용할 수 있는 잠재력이 넓습니다. 예를 들어, 2010년에 최초의 RHEA인 NbMoTaW RHEA가 Senkov16에 의해 제작되었습니다. 1600°C에서 NbMoTaW RHEA의 항복 강도는 405MPa이며, 1600°C의 작동 온도 한계는 약 1300°C인 니켈 기반 고온 합금의 항복 강도보다 훨씬 높습니다. Xia의 연구17에서는 MoNbTaVW RHEA 박막의 열 안정성이 연구되었으며 실험 결과는 MoNbTaVW RHEA의 체심 입방 고용체 상이 1800K까지 여전히 매우 안정적이라는 것을 보여줍니다. Zhang의 실험 연구18에서 소성 변형 메커니즘은 고압 하에서 MoNbTaVW RHEA가 관찰되었습니다. 활성 전위 성장이 주로 MoNbTaVW RHEA의 높은 강도를 담당하는 것으로 나타났습니다. Yang의 연구19에서는 Si/Al 팩 접합 코팅을 사용하여 MoNbTaVW RHEA의 내산화성을 향상시키는 효과적인 방법을 발견했으며, 이는 고온에서 MoNbTaVW RHEA의 기계적 특성도 향상시킵니다. Nie의 연구1에서 HfMoScTaZr RHEA는 진공 아크 용해 장비로 준비되었습니다. Sc 원소를 첨가함으로써 합금의 밀도가 낮아지고 HfMoScTaZr RHEA의 강도와 가소성이 크게 향상되었습니다. 실온, 800°C, 1000°C 및 1200°C에서 HfMoScTaZr RHEA의 항복 강도는 각각 1778, 1118, 963 및 498MPa입니다. 1200°C에서 HfMoScTaZr RHEA의 항복 강도는 전통적인 클래식 초합금인 Inconel 71820 및 CMSX-421보다 약 4.3배 및 6배 더 높습니다. 구성 요소 유형 및 관련 비율 외에도 HEA 또는 합금의 재료 특성은 결정화도의 정도에 따라 크게 영향을 받습니다. 예를 들어, Lin의 연구22에서는 서로 다른 평균 입자 크기를 갖는 Cu3-xNixSbSe4(x = 0-0.03) 합금을 제조하기 위해 용융 볼 밀링-핫 프레싱 공정이 채택되었습니다. Cu3-xNixSbSe4의 미세구조와 열전 특성에 대한 평균 입자 크기의 영향이 관찰되었습니다. 결정립 미세화 및 Se 결함 증가로 인해 Ni 비율이 x = 0.03에서 0으로 감소할 때 격자 열전도도는 실온에서 3.3Wm−1K−1에서 2.4Wm−1K−1로 감소합니다. Sun의 연구23, 실험 결과에 따르면 CoCrFeMnNi HEA의 입자 크기가 293K에서 105μm에서 650nm로 감소할 때 항복 강도는 254.7% 증가하여 225MPa에서 798MPa로 증가했습니다. 동시에 최대 인장 강도는 798MPa에서 887MPa로 11.2% 증가합니다. Bhandariet al. 밀도 함수 이론(DFT) 방법을 채택하여 AlCrMoTiV3의 구조적 및 기계적 특성을 계산했습니다. DFT 예측에 따르면 Al30Cr10Mo5Ti20V35 RHEA는 5.16g/cm3의 더 낮은 밀도와 5.56GPa의 더 높은 경도를 갖는 최적의 원소 비율을 가지고 있습니다.