اثر افزایش کبالت بر بهبود رفتار سایشی آلیاژ آنتروپی بالای FeNiCrMnCox تولید شده به‌روش SPS

محورهای موضوعی : روش ها و فرآیندهای نوین در تولید

عرفان بیگدلوی وطن ¹ , مهدی سلیمی ²

1 - گروه علوم و مهندسی مواد، دانشکده فنی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران
2 - گروه علوم و مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی زنجان، زنجان، ایران

تاریخ دریافت : 1403/11/01 تاریخ پذیرش : 1404/03/15 تاریخ انتشار : 1404/10/02

کلید واژه: آلیاژ آنتروپی بالا, اسپارک پلاسما سینترینگ, سایش, آسیاب گلوله‌ای,

چکیده مقاله :

آلیاژ آنتروپی بالای FeNiCrMnCo_x به‌روش آسیاب گلوله‌ای و SPS در دمای 1100 درجه سانتی‌گراد در درصدهای مختلف کبالت (1/0 و 3/0) ساخته‌شد. نتایج حاصل از ساختاری فازی نشان داد برای نمونه آسیاب شده صفحات مربوط به محل جامد FCC ایجاد شده‌است و در اثر فرآیند SPS پیک‌های مذکور ایجاد شده‌است با این تفاوت که پیک‌های مربوط به صفحات (111) و (200) مقداری به سمت راست شیفت پیدا کرده اند. نتایج حاصل از میکروسختی نشان داد افزایش کبالت در محلول جامد باعث افزایش 30 درصدی میکروسختی می‌شود. این افزایش در میکروسختی تنها مکانیسمی است که مقاومت در برابر سایش را برای نمونه HEA-0.1Co افزایش می‌دهد. نتایج ضریب اصطکاک نیز نشان داد مقدار آن از 7/0 به 6/0 برای نمونه HEA-0.3Co کاهش پیدا کرده است که این نشان دهنده افزایش مقاومت در برابر سایش برای نمونه HEA-0.3Co است. همچنین مکانیسم سایش برای نمونه HEA-0.1Co از نوع ترکیبی از لایه اکسیدی و سایش خراشان بود در حالیکه افزایش مقدار کبالت باعث تغییر مکانیسم سایش از خراشی به لایه اکسیدی می‌شود.

چکیده انگلیسی:

The FeNiCrMnCox high entropy alloy (HEA) was fabricated using mechanical alloying and Spark Plasma Sintering (SPS) at a temperature of 1100°C with different cobalt contents (0.1 and 0.3). The results from phase structural analysis indicated that the milled samples exhibited FCC solid solution phases, and after the SPS process, the corresponding peaks were formed, with the (111) and (200) peaks shifting slightly to the right. Microhardness tests showed that increasing the cobalt content in the solid solution led to a 30% increase in microhardness. This increase in microhardness is the main mechanism contributing to the wear resistance of the HEA-0.1Co sample. The friction coefficient results also revealed a decrease from 0.7 to 0.6 for the HEA-0.3Co sample, indicating improved wear resistance for this composition. Furthermore, the wear mechanism for the HEA-0.1Co sample was a combination of oxide layer and abrasive wear, while increasing the cobalt content changed the wear mechanism from abrasive to oxide layer wear.

منابع و مأخذ:

[1] E. P. George, D. Raabe & R. O. Ritchie, "High-entropy alloys", Nat. Rev. Mater, vol. 4, pp. 515–534, 2019.

[2] Y. F. Ye, Q. Wang, J. Lu, C.T. Liu & Y. Yang, "High-entropy alloy: challenges and prospects", Mater. Today, vol. 19, 349–362, 2016.

[3] D. Kumar, "Recent advances in tribology of high entropy alloys: A critical review", Prog. Mater. Sci, vol. 136, p. 101106, 2023.

[4] S. Alvi & F. Akhtar, "High temperature tribology of CuMoTaWV high entropy alloy", Wear, vol. 426, pp. 412–419, 2019.

[5] M. Kafali, K. M. Doleker, A. Erdogan, S. E. Sunbul, K. Icin, A. Yildiz & M. S. Gok, "Wear, corrosion and oxidation characteristics of consolidated and laser remelted high entropy alloys manufactured via powder metallurgy", Surf. Coatings Technol, vol. 467, p. 129704, 2023.

[6] I. Basu & J. T. M. De Hosson, "Strengthening mechanisms in high entropy alloys: fundamental issues", Scr. Mater, vol. 187, pp. 148–156, 2020.

[7] Y. Wang, Y. Yang, H. Yang, M. Zhang, S. Ma & J. Qiao, "Microstructure and wear properties of nitrided AlCoCrFeNi high-entropy alloy", Mater. Chem. Phys, vol. 210, pp. 233–239, 2018.

[8] A. Verma, P. Tarate, A. C. Abhyankar, M. R. Mohape, D. S. Gowtam, V. P. Deshmukh & T. Shanmugasundaram, "High temperature wear in CoCrFeNiCux high entropy alloys: The role of Cu", Scr. Mater, vol. 161, pp. 28–31, 2019. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2018.10.007.

[9] G. Prabu, M. Duraiselvam, N. Jeyaprakash & C. H. Yang, "Microstructural evolution and wear behavior of AlCoCrCuFeNi high entropy alloy on Ti–6Al–4V through laser surface alloying", Met. Mater. Int, vol. 27, pp. 2328–2340, 2021.

[10] Z. S. Nong, Y. N. Lei & J. C. Zhu, "Wear and oxidation resistances of AlCrFeNiTi-based high entropy alloys", Intermetallics, vol. 101, pp. 144–151, 2018. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2018.07.017.

[11] J. Joseph, N. Haghdadi, K. Shamlaye, P. Hodgson, M. Barnett & D. Fabijanic, "The sliding wear behaviour of CoCrFeMnNi and AlxCoCrFeNi high entropy alloys at elevated temperatures", Wear, vol. 428–429, pp. 32–44, 2019. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.03.002.

[12] W. Ye, Q. Zhou, Y. Shi, M. Xie, B. Chen, H. Wang & W. Liu, "Robust wear performance of graphene-reinforced high entropy alloy composites", Carbon N. Y, vol. 224, p. 119040, 2024.

[13] R. Zhou, G. Chen, B. Liu, J. Wang, L. Han & Y. Liu, "Microstructures and wear behaviour of (FeCoCrNi) 1-x (WC) x high entropy alloy composites", Int. J. Refract. Met. Hard Mater, vol. 75, pp. 56–62, 2018.

[14] Y. Cai, L. Zhu, Y. Cui, M. Shan, H. Li, Y. Xin & J. Han, "Fracture and wear mechanisms of FeMnCrNiCo+ x (TiC) composite high-entropy alloy cladding layers", Appl. Surf. Sci, vol. 543, p. 148794, 2021.

[15] M. Ghanbariha, M. Farvizi, T. Ebadzadeh & A. A. Samiyan, "Effect of ZrO2 particles on the nanomechanical properties and wear behavior of AlCoCrFeNi–ZrO2 high entropy alloy composites", Wear, Vol. 484, p. 204032, 2021.

[16] Y. Gu, M. Yi, Y. Chen, J. Tu, Z. Zhou & J. Luo, "Effect of the amount of SiC particles on the microstructure, mechanical and wear properties of FeMnCoCr high entropy alloy composites", Mater. Charact, vol. 193, p. 112300, 2022.

[17] P. Moazzen, M. R. Toroghinejad, P. Cavaliere, "Effect of Iron content on the microstructure evolution, mechanical properties and wear resistance of FeXCoCrNi high-entropy alloy‎ system produced via MA-SPS", J. Alloys Compd, vol. 870, p. 159410, 2021.

[18] F. Akbaripanah, M. Sabbaghian, N. Fakhar, P. Minárik, J. Veselý, P. T. Hung, G. Kapoor, O. Renk, K. Máthis, J. Gubicza & J. Eckert, "Influence of high pressure torsion on microstructure evolution and mechanical properties of AZ80/SiC magnesium matrix composites", Mater. Sci. Eng. A, vol. 826, 2021. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141916.

[19] T. D. Vo, B. Tran, A. K. Tieu, D. Wexler, G. Deng & C. Nguyen, "Effects of oxidation on friction and wear properties of eutectic high-entropy alloy AlCoCrFeNi2.1", Tribol. Int, vol. 160, p. 107017, 2021. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.107017.



[20] Y. Geng, J. Chen, H. Tan, J. Cheng, J. Yang & W. Liu, "Vacuum tribological behaviors of CoCrFeNi high entropy alloy at elevated temperatures", Wear, vol. 456–457, p. 203368, 2020. https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203368.

[21] M. Pole, M. Sadeghilaridjani, J. Shittu, A. Ayyagari & S. Mukherjee, "High temperature wear behavior of refractory high entropy alloys based on 4-5-6 elemental palette", J. Alloys Compd, vol. 843, p. 156004, 2020.

[22] A. Mahamood, H. Æ. Ahmad, T. Mayyas, A. Alrashdan & Æ. M. T. Hayajneh, "Wear behavior of Al – Cu and Al – Cu / SiC components produced by powder metallurgy", pp. 5368–5375, 2008. https://doi.org/10.1007/s10853-008-2760-5.