SUPERVISOR
Mohammad Hassan Abbasi,Fatallah Karimzadeh
محمدحسن عباسي (استاد راهنما) فتح اله کريم زاده (استاد راهنما)
STUDENT
Seyed Hamed Hosseini
سيدحامد حسيني
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.
چکيده آلياژهاي آنتروپي بالا دسته جديدي از مواد هستند که داراي 5 تا 13 عنصر اصلي با درصدهاي اتمي يا مولي مساوي و يا تقريبا مساوي ميباشند. اين آلياژها محلولهاي جامد FCC و BCC تشکيل ميدهند و داراي خواص مطلوبي از قبيل استحکام بالا، انعطافپذيري مناسب و خواص حرارتي و خوردگي مطلوبي ميباشند به همين دليل به شدت مورد توجه محققين قرار گرفتهاند. ريزساختار و خواص آلياژهاي آنتروپي بالا وابسته به نوع عناصر و ميزان آنهاست و تشکيل محلولهاي جامد ساده در اين آلياژها وابسته به انتخاب دقيق عناصر است. آلياژهاي آنتروپي بالاي CoCrFeMnNi، CoCrFeNiMnCu، CrCuFeMnNi و CoCrFeNiCu x (x=0-1) باموفقيت توليد شده و خواص عالي از خود نشان دادهاند. آلياژ 6 تايي CoCrFeNiMnCu با ساختار FCC و مقاوم به اکسيداسيون گزارش شده است. به نظر ميرسد با جايگزين کردن Ti به جاي Cr و حذف CO آلياژ ساختار FCC خود را حفظ کرده و مقاوم به اکسيداسيون (تشکيل لايه اکسيدي چسبنده TiO 2 ) باشد. در اين پژوهش آلياژ آنتروپي بالاي CuFeNiMnTi به دو روش آلياژسازي مکانيکي (MA) و تفجوشي پلاسمايي جرقهاي ()، و ذوب القايي تحت خلأ (VIM) ساخته شد. نتايج طيفسنجي تفکيک انرژي پرتو ايکس (EDS) و پراش پرتو ايکس (XRD) تشکيل تکفاز FCC بعد از 30 ساعت آسياکاري را نشان داد. فرايند تفجوشي پلاسمايي جرقهاي در دماهاي 860 و °C920 انجام شد. نتايج پراش پرتو ايکس و تصاوير ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) نشان داد پس از تفجوشي پلاسمايي جرقهاي ، در دماي °C860 فاز FCC، ذرات کاربيد تيتانيوم و فاز لاوه تشکيل شد، اما در نمونه تفجوشي پلاسمايي جرقهاي در دماي °C920 فاز FCC و ذرات کاربيد تيتانيوم تشکيل شد. چگالي نمونهها به روش ارشميدس اندازه گيري شد و نمونه سنتز شده در دماي °C920 با 5% تخلخل به عنوان نمونه بهينه انتخاب شد. نتايج سختي و ريزسختي آلياژ تفجوشي پلاسمايي جرقهاي به ترتيب HVN 564 و HV 0/3 N632 اندازهگيري شد. نتايج آزمون سنبه برشي، متوسط استحکام برشي نمونه تفجوشي پلاسمايي جرقهاي را MPa457 را نشان داد. خواص سايشي نمونه بهينه تفجوشي پلاسمايي جرقهاي در دماي اتاق و دماي بالا (°C 400) تحت دو نيروي 15 و N 30 مورد بررسي قرار گرفت. با افزايش دما در هر دو نيروي اعمالي به دليل تشکيل سريع لايه محافظ اکسيدي رو سطح سايش، مقاومت به سايش بهبود يافت. نتايج پراش پرتو ايکس و طيفسنجي تفکيک انرژي پرتو ايکس نمونه ذوب القايي تحت خلا حضور دوفاز FCC غني از مس و نيکل، فاز لاوه Fe 2 Ti، FeTi و(B) NiTi در ريزساختار آلياژ را نشان داد. همگنسازي در دماهاي 940، 1020 و °C1150 در مدت زمان h 5 انجام شد که با همگن سازي تا دماي °C940 فازهاي FeTi و NiTi (B) و تا دماي °C1150 فقط فاز FCC پايدار ماندند. آنيل در دماي °C940 در مدت زمان ثابت h 5 به عنوان نمونه بهينه همگنسازي انتخاب شد. نتايج سختي و ريزسختي نمونه بهينه همگن شده HVN400 و HV 0/3 N438 اندازهگيري شد. نتايج آزمون سنبه برشي، متوسط استحکام برشي نمونه بهينه همگن شده MPa 348 را نشان داد. نمونه بهينه همگن شده آلياژ ريختگي به روش اتصال فاز مايع گذرا (TLP) با دو لايه مياني مس و AWS BNi-2 در دماهاي 980، 1030 و °C1080 و در مدت زمان ثابت 30 دقيقه به هم اتصال داده شدند. تصاوير ميکروسکوپ الکتروني روبشي و نتايج طيفسنجي تفکيک انرژي پرتو ايکس حضور بورايد تيتانيوم در استفاده از لايه مياني AWS BNi-2 در دماي °C980 و فاز Ni6Si2B در دماي °C1030 را نشان داد. به منظور بررسي خواص مکانيکي اتصالات، استحکام برشي و تغيير ريزسختي در مقطع اتصال انجام شد. نتايج نشان داد با افزايش دما در اتصال با لايه مياني AWS BNi-2 بدليل حذف ترکيبات ناخواسته و بورايدي استحکام برشي تا MPa 344 افزايش يافت. در اتصال با لايه مياني مس به دليل وجود ساختار همگن و عاري از هرگونه ترکيب ناخواسته در تمامي دماها، تقريبا استحکام برشي نزديک فلز پايه حاصل شد. ريزسختي محل اتصال با لايه مياني مس بسيار نزديک فلز پايه و با لايه مياني BNi-2 AWS با کاهش دما به دليل حضور ترکيبات بورايدي در محل اتصال ريزسختي افزايش يافت. سطح شکست تمامي اتصالات بدليل حضور فازهاي ترد و شکننده از نوع شکست ترد بود. کلمات کليدي: آلياژهاي آنتروپي بالا، CuFeNiMnTi، آلياژسازي مکانيکي، تفجوشي پلاسمايي جرقهاي، اتصال فاز مايع گذرا