SUPERVISOR
Mohammad Hassan Abbasi,Fatallah Karimzadeh
محمدحسن عباسی (استاد راهنما) فتح اله کریم زاده (استاد راهنما)
STUDENT
Seyed Hamed Hosseini
سیدحامد حسینی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Fabrication and characterization of nanostructured high entropy CuFeNiMnTi alloy and investigation of joint transient liquid phase
High entropy alloys (HEAs) area new categoryof alloys consisting of 5 to13main elements with equal or nearly equal atomic or molar ratios. Thesealloys usuallyform FCC and BCC solid solutions and have attracted a great deal of attention due to their excellent propertieuch as hightrength, adequate ductility and proper thermal and corrosiofeatures. Depending on the type and amount of constituent elements, the microstructure and characteristics of the HEAs change, and the formation of a simple solid solution in these alloys depends on the accurate selection of the elements. CoCrFeMnNi, CuCrFeNiMnCu, CrCuFeMnNi and CoCrFeNiCux(x=0-1) HEAs have been successfully fabricated and have shown superior properties. In this regard, CoCrFeNiMnCu senary alloy with Fcc structure and oxidation resistance has been reported. It seems that By replacing Ti whit Cr and eliminate of Co in the CoCrFeNiMnCu alloys, The FCC structure was stable and the oxidation resistance improves. In this research, a new high entropy alloy system CuFeNiMnTi was designed with mechanical alloying and spark plasma sintering, and vacuum induction melting. Scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive spectroscopy (EDS) were utilized to characherite the CuFeNiMnTi high entropy alloys. According to EDS and XRD results the FCC structure was formed after 30 h ball milling. The process was performed at temperatures 860 and 920 °C. According to the XRD and SEM results, in 860 °C show the presence FCC structure, carbide titanium particles and lave phases, However in 920 °C show the FCC structure and carbide titanium particles. The density of the sample was evolution by Arashmedas method and the sample Synthesized at 920 °C with 5% porosity Was determined as optimum sample. The averagehardneand microhardness ofthe alloy samplewas 564 HVN and 632 HV0.3N Respectively. Thehear punchtest waerformedand the average of shear strength for the ed alloy sample were 457. Wear Properties of Optimal Sample of ed at Room Temperature and High Temperature (400 ° C) under The force of 15 and 30 N was investigated. With increasing temperature at both applied forces due to rapid formation ofan oxide protective layeron the surface of wear, resistance Wear improved. According to XRD and SEM results of as cast samples, presence of two Ni and Cu rich FCC structure, Lave phases of Fe2Ti type, FeTi and NiTi (B) was observed in the microstructure. Homogenizatioat 940, 1020 and 1150 °C was carried out in 5 h. The results show that the FeTi and NiTi (B) was stable up to 940 °C and just FCC phaseweretable up to 1150 °C. The sample whichannealedat 940 °C for 5hewadeterminedas optimum sample. the hardness and microhardness of as cast alloy samples was 404 HVN and 440 HV0.3N Respectively. Thehear punchtest waerformedand the average of shear strength for as cast alloy sample were 457. Transient liquid phases (TLP) bonding of optimum homogenized the as cast alloy sample was carried out using interlayer of Cu and AWS BNi-2 at 980,1030 and 1080 °C temperatures and the bonding time of 30 min. SEM and EDS results show the presence of titanium birdie o using interlayer AWS BNi-2 at 980 °C and Ni6Si2B phases at 1030 °C. Iorder to evaluate the mechanicalehaviorof the joining, sheartrengthand changes ofthe microstructureatcroection joining ware Measured. The results reveal that increasingtemperatureat joining with interlayer AWS BNi-2 lead to increasing strengthof344 MPa because of elimination oftitaniumoardand Unwanted compounds. Byjoining with Cu interlayer,trength, proximityto Base metal was observed without any Unwanted compounds, in alltemperatures. Because ofhomogeneoutructure microhardness of joining with interlayerwaclose toa base metal.Iaddition, the microhardness of joining with WAS BNi-2 interlayer decreaseddueto the presence ofuriedcomposition with temperature rise. Surface fracture of all the joining was brittle because of the presence of brittle phases.
آلیاژهای آنتروپی بالا دسته جدیدی از مواد هستند که دارای 5 تا 13 عنصر اصلی با درصدهای اتمی یا مولی مساوی و یا تقریبا مساوی میباشند. این آلیاژها محلولهای جامد FCC و BCC تشکیل میدهند و دارای خواص مطلوبی از قبیل استحکام بالا، انعطافپذیری مناسب و خواص حرارتی و خوردگی مطلوبی میباشند به همین دلیل به شدت مورد توجه محققین قرار گرفتهاند. ریزساختار و خواص آلیاژهای آنتروپی بالا وابسته به نوع عناصر و میزان آنهاست و تشکیل محلولهای جامد ساده در این آلیاژها وابسته به انتخاب دقیق عناصر است. آلیاژهای آنتروپی بالای CoCrFeMnNi، CoCrFeNiMnCu، CrCuFeMnNi و CoCrFeNiCu x (x=0-1) باموفقیت تولید شده و خواص عالی از خود نشان دادهاند. آلیاژ 6 تایی CoCrFeNiMnCu با ساختار FCC و مقاوم به اکسیداسیون گزارش شده است. به نظر میرسد با جایگزین کردن Ti به جای Cr و حذف CO آلیاژ ساختار FCC خود را حفظ کرده و مقاوم به اکسیداسیون (تشکیل لایه اکسیدی چسبنده TiO 2 ) باشد. در این پژوهش آلیاژ آنتروپی بالای CuFeNiMnTi به دو روش آلیاژسازی مکانیکی (MA) و تفجوشی پلاسمایی جرقهای ()، و ذوب القایی تحت خلأ (VIM) ساخته شد. نتایج طیفسنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس (EDS) و پراش پرتو ایکس (XRD) تشکیل تکفاز FCC بعد از 30 ساعت آسیاکاری را نشان داد. فرایند تفجوشی پلاسمایی جرقهای در دماهای 860 و °C920 انجام شد. نتایج پراش پرتو ایکس و تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان داد پس از تفجوشی پلاسمایی جرقهای ، در دمای °C860 فاز FCC، ذرات کاربید تیتانیوم و فاز لاوه تشکیل شد، اما در نمونه تفجوشی پلاسمایی جرقهای در دمای °C920 فاز FCC و ذرات کاربید تیتانیوم تشکیل شد. چگالی نمونهها به روش ارشمیدس اندازه گیری شد و نمونه سنتز شده در دمای °C920 با 5% تخلخل به عنوان نمونه بهینه انتخاب شد. نتایج سختی و ریزسختی آلیاژ تفجوشی پلاسمایی جرقهای به ترتیب HVN 564 و HV 0/3 N632 اندازهگیری شد. نتایج آزمون سنبه برشی، متوسط استحکام برشی نمونه تفجوشی پلاسمایی جرقهای را MPa457 را نشان داد. خواص سایشی نمونه بهینه تفجوشی پلاسمایی جرقهای در دمای اتاق و دمای بالا (°C 400) تحت دو نیروی 15 و N 30 مورد بررسی قرار گرفت. با افزایش دما در هر دو نیروی اعمالی به دلیل تشکیل سریع لایه محافظ اکسیدی رو سطح سایش، مقاومت به سایش بهبود یافت. نتایج پراش پرتو ایکس و طیفسنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس نمونه ذوب القایی تحت خلا حضور دوفاز FCC غنی از مس و نیکل، فاز لاوه Fe 2 Ti، FeTi و(B) NiTi در ریزساختار آلیاژ را نشان داد. همگنسازی در دماهای 940، 1020 و °C1150 در مدت زمان h 5 انجام شد که با همگن سازی تا دمای °C940 فازهای FeTi و NiTi (B) و تا دمای °C1150 فقط فاز FCC پایدار ماندند. آنیل در دمای °C940 در مدت زمان ثابت h 5 به عنوان نمونه بهینه همگنسازی انتخاب شد. نتایج سختی و ریزسختی نمونه بهینه همگن شده HVN400 و HV 0/3 N438 اندازهگیری شد. نتایج آزمون سنبه برشی، متوسط استحکام برشی نمونه بهینه همگن شده MPa 348 را نشان داد. نمونه بهینه همگن شده آلیاژ ریختگی به روش اتصال فاز مایع گذرا (TLP) با دو لایه میانی مس و AWS BNi-2 در دماهای 980، 1030 و °C1080 و در مدت زمان ثابت 30 دقیقه به هم اتصال داده شدند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی و نتایج طیفسنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس حضور بوراید تیتانیوم در استفاده از لایه میانی AWS BNi-2 در دمای °C980 و فاز Ni6Si2B در دمای °C1030 را نشان داد. به منظور بررسی خواص مکانیکی اتصالات، استحکام برشی و تغییر ریزسختی در مقطع اتصال انجام شد. نتایج نشان داد با افزایش دما در اتصال با لایه میانی AWS BNi-2 بدلیل حذف ترکیبات ناخواسته و بورایدی استحکام برشی تا MPa 344 افزایش یافت. در اتصال با لایه میانی مس به دلیل وجود ساختار همگن و عاری از هرگونه ترکیب ناخواسته در تمامی دماها، تقریبا استحکام برشی نزدیک فلز پایه حاصل شد. ریزسختی محل اتصال با لایه میانی مس بسیار نزدیک فلز پایه و با لایه میانی BNi-2 AWS با کاهش دما به دلیل حضور ترکیبات بورایدی در محل اتصال ریزسختی افزایش یافت. سطح شکست تمامی اتصالات بدلیل حضور فازهای ترد و شکننده از نوع شکست ترد بود. کلمات کلیدی: آلیاژهای آنتروپی بالا، CuFeNiMnTi، آلیاژسازی مکانیکی، تفجوشی پلاسمایی جرقهای، اتصال فاز مایع گذرا