Как атомы поликристаллического Nb20.6Mo21.7Ta15.6W21.1V21.0 тугоплавки с высокой

May 05, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 5183 (2022) Цитировать эту статью

1222 Доступа

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Механизм плавления монокристаллических и поликристаллических тугоплавких высокоэнтропийных сплавов Nb20,6Mo21,7Ta15,6W21,1V21,0 исследован методом молекулярной динамики (МД) с использованием метода внедренных атомов, модифицированного вторым ближайшим соседом (2NN MEAM). ) потенциал. Для монокристалла RHEA профиль плотности резко падает с 11,25 до 11,00 г/см3 при температурах от 2910 до 2940 К, что указывает на то, что все атомы начинают значительную локальную структурную перестройку. Для поликристаллических РЭА обнаружен двухстадийный процесс плавления. На первой стадии плавления плавление межзеренных областей (ЗГ) сначала происходит при температуре предварительного плавления, которая относительно ниже, чем соответствующая температура плавления системы. При температуре предварительного плавления большинство атомов ГБ обладают достаточной кинетической энергией, чтобы покинуть свои положения равновесия, а затем постепенно вызвать перегруппировку атомов зерна, близких к ГБ. На второй стадии плавления при температуре плавления большинство атомов зерна обладают достаточной кинетической энергией для перегруппировки, что приводит к химическим изменениям ближнего порядка всех пар.

Материалы, используемые в экстремальных рабочих условиях, таких как высокие температуры или давления, остро нуждаются в промышленном применении. Например, для повышения эффективности газотурбинных двигателей в аэрокосмической отрасли одним из наиболее эффективных способов является повышение рабочей температуры двигателя1. Однако наиболее часто используемый высокотемпературный конструкционный материал — суперсплав на основе никеля — имеет собственную температуру плавления около 1300 °C, что ограничивает максимальную рабочую температуру2,3. Таким образом, очень важно, чтобы материал имел достаточно высокую температуру плавления4. Сплавы с высокой энтропией (ВЭА), также известные как сплавы с несколькими основными элементами (МПЭА), состоят из более чем четырех основных типов элементов5. В HEA все композиционные элементы расположены наиболее равномерно, что приводит к превосходным свойствам материала, включая высокую твердость6, сочетание высокой прочности и пластичности7,8, хорошую усталостную прочность9, высокотемпературную микроструктуру и механическую стабильность10, выдающиеся электромагнитные свойства11, отличную износостойкость12, коррозионная стойкость13 и стойкость к окислению14.

Среди всех HEA тугоплавкие высокоэнтропийные сплавы (RHEA) обычно содержат один или несколько композиционных тугоплавких элементов, таких как W, Mo, Ta, Nb, Zr и Re15. Для ВЭА без огнеупорных элементов плохая фазовая стабильность и низкая пластичность при высоких и средних температурах являются двумя узкими местами, ограничивающими их применение при высоких температурах. Соответственно, RHEA демонстрируют превосходную устойчивость к высоким температурам, высокую температуру плавления (> 2000 °C) и более высокую термостойкость, что имеет широкий потенциал для применения в высокотемпературном оборудовании. Например, в 2010 году Сеньков16 изготовил первый РЭА NbMoTaW RHEA. Предел текучести NbMoTaW RHEA при 1600 °С составляет 405 МПа, а предел рабочей температуры 1600 °С значительно выше, чем у жаропрочных сплавов на основе никеля около 1300 °С. В исследовании Ся17 изучалась термическая стабильность тонкой пленки MoNbTaVW RHEA, и экспериментальные результаты показывают, что фаза объемно-центрированного кубического твердого раствора MoNbTaVW RHEA все еще очень стабильна до 1800 К. В экспериментальном исследовании Чжана18 механизм пластической деформации Наблюдали MoNbTaVW RHEA под высоким давлением. Установлено, что высокая прочность MoNbTaVW-РЭА главным образом обусловлена ​​активным ростом дислокаций. В исследовании Янга19 они нашли эффективный способ улучшить стойкость к окислению MoNbTaVW RHEA с помощью цементирующих покрытий Si/Al, которые также улучшают механические свойства MoNbTaVW RHEA при высоких температурах. В исследовании Ни1 РЭА HfMoScTaZr были получены с помощью оборудования для вакуумно-дуговой плавки. При добавлении элемента Sc плотность сплава становится ниже, а прочность и пластичность РЭА HfMoScTaZr значительно улучшаются. Предел текучести РЭА HfMoScTaZr при комнатной температуре, 800, 1000 и 1200 °С составляет 1778, 1118, 963 и 498 МПа соответственно. При 1200 °C предел текучести HfMoScTaZr RHEA примерно в 4,3 и 6 раз выше, чем у традиционных классических суперсплавов Inconel 71820 и CMSX-421. Помимо типов элементов состава и связанных с ними фракций, на свойства материалов HEA или сплавов существенно влияет степень кристалличности. Например, в исследовании Линя22 процесс горячего прессования с шаровым измельчением был принят для изготовления сплавов Cu3-xNixSbSe4 (x = 0–0,03) с различным средним размером зерна. Обнаружено влияние среднего размера зерна на микроструктуру и термоэлектрические свойства Cu3−xNixSbSe4. Из-за измельчения зерен и увеличения дефектности Se теплопроводность решетки снижается с 3,3 Вт·м-1·К-1 до 2,4 Вт·м-1·К-1 при комнатной температуре при уменьшении доли Ni от x = 0,03 до 0. В исследовании Sun23 результаты экспериментов показывают, что при уменьшении размера зерна CoCrFeMnNi HEA со 105 мкм до 650 нм при 293 К предел текучести увеличился с 225 до 798 МПа с увеличением на 254,7%. При этом предел прочности при растяжении увеличивается с 798 до 887 МПа с увеличением на 11,2%. Бхандари и др. Принятый метод теории функционала плотности (DFT) заключался в расчете структурных и механических свойств AlCrMoTiV3. Согласно прогнозу DFT, РЭА Al30Cr10Mo5Ti20V35 имеет оптимальные фракции элементов, обладающие меньшей плотностью 5,16 г/см3 и более высокой твердостью 5,56 ГПа.