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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Legierung mit hoher Entropie bzw. eine Hoch-Entropie-Legierung (im Weiteren kurz: Legierung mit hoher Entropie) und mit geringer Dichte.
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HINTERGRUND
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Im Allgemeinen wird eine Turbine, die bei einem Turbolader für Kraftfahrzeuge verwendet wird, der bei Dieselmotoren aller Nutzfahrzeuge, wie z.B. SUV, Bus und LKW, und bei landwirtschaftlichen Maschinen verwendet wird, unlängst auch bei einem Ottomotor verwendet, um den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs zu verbessern.
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Da die Turboladertechnologie die Wirkung hat, ein Abgas zu verringern, während sie wirkt, um eine große Leistung durch eine Erhöhung eines Fahrzeugdrehmoments auszuüben, wurde der Verbau davon mit großer Geschwindigkeit gesteigert.
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Der Turbolader ist eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung und ist eine Technologie zum Drehen einer Turbine unter Verwendung von Strömungsenergie, die als Verbrennungsmotorabgas verloren geht, und zum Aufladen einer Ansaugluft durch Rotation eines Kompressors, der mit der Turbine auf derselben Welle verbunden ist.
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Obwohl der Turbolader einen kleinen Verbrennungsmotor in die Lage versetzt, durch die Aufladung der Ansaugluft eine hohe Leistung zu erzeugen, wurde darauf hingewiesen, dass der Turbolader den großen Nachteil der Verschlechterung eines transienten Fahrverhaltens, auch Turboloch genannt, hat.
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Um das oben beschriebene Problem des Turbolochs zu lösen, wurde unlängst eine Legierung mit hoher Entropie verwendet, die mehrere physikalische Eigenschaften der Legierung verbessern kann.
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Eine allgemeine Legierung mit hoher Entropie (engl. „high entropy alloy“, kurz: HEA) ist definiert als eine Mehrelementlegierung, die durch Legieren verschiedener Arten von Elementen in ähnlichen Anteilen erhalten wird, ohne dass die primären Elemente eine Legierung bilden, wie z.B. bei Stahl, Aluminiumlegierung oder Titanlegierung als allgemeine Legierung. Die Legierung mit hoher Entropie, wie oben beschrieben, ist ein Metallmaterial mit einer hohen Mischentropie in der Legierung und mit einer einphasigen Struktur, wie z.B. kubisch-flächenzentriert (engl. „face-centered cubic“, kurz FCC) oder kubisch-raumzentriert (engl. „body-centered cubic“, kurz: BCC), ohne Bildung einer intermetallischen Verbindung oder einer Zwischenphase.
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Zum Beispiel hat eine kubisch-flächenzentrierte CoCrFeMnNi-Legierung eine hohe Bruchzähigkeit und hat eine kubisch-raumzentrierte AlCrFeNi-Legierung eine hohe Festigkeit.
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Das Vorstehende soll lediglich zum Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung beitragen und bedeutet nicht, dass die vorliegende Offenbarung in den Bereich des Stands der Technik fällt, der dem Fachmann bereits bekannt ist.
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KURZERLÄUTERUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Legierung mit hoher Entropie mit geringer Dichte. Besondere Ausführungsformen betreffen eine Legierung mit hoher Entropie mit geringer Dichte, die eine ausgezeichnete physikalische Eigenschaft bei einer hohen Temperatur und eine geringe Dichte hat, indem ein Anteil zur Erzeugung einer kubisch-flächenzentrierten Mikrostruktur (FCC) gesteuert wird.
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung lösen Probleme und stellen eine Legierung mit hoher Entropie mit geringer Dichte bereit, die eine ausgezeichnete physikalische Eigenschaft bei einer hohen Temperatur und einer geringen Dichte hat, indem ein Verhältnis von kubisch-flächenzentriertem Gefüge bzw. Gefügeanteil bzw. Kristallgitter bzw. kubisch-flächenzentrierter Phase (im Weiteren z.B. auch kurz: FCC) zu kubisch-raumzentriertem Gefüge bzw. Gefügeanteil bzw. Kristallgitter bzw. kubischraumzentrierter Phase (im Weiteren z.B. auch kurz: BCC) gesteuert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist eine Legierung mit hoher Entropie mit geringer Dichte auf: Fe mit 16,7 bis 25 Atom-%, Cr mit 10,5 bis 20,6 Atom-%, Al mit 12,7 bis 18 Atom-%, als Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen (bspw. besteht die Legierung mit hoher Entropie aus den vorhergehend genannten Bestandteilen) .
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Es ist bevorzugt, dass die Legierung mit hoher Entropie 15 bis 18 Atom-% Cr aufweist.
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Es ist bevorzugt, dass die Legierung mit hoher Entropie 16 bis 17 Atom-% Al aufweist.
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Die Legierung mit hoher Entropie kann ferner z.B. 0,8 bis 1 Atom-% Ti aufweisen.
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Es ist bevorzugt, dass die Legierung mit hoher Entropie Verunreinigungen von 0,1 Atom-% oder weniger enthält.
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Es ist bevorzugt, dass ein Ni:Fe-Verhältnis (Atom-%) der Legierung mit hoher Entropie 2:1 bis 3:1 beträgt.
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Die Legierung mit hoher Entropie zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass ein kubisch-raumzentriertes (BCC) Gefüge und ein kubisch-flächenzentriertes (FCC) Gefüge zusammen ausgebildet sind.
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Die Legierung mit hoher Entropie zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass ein Anteil des kubisch-flächenzentrierten (FCC) Gefüges 50 bis 80% beträgt.
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Die Legierung mit hoher Entropie zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass keine Sigma-Phase ausgebildet ist.
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Die Legierung mit hoher Entropie zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass keine intermetallische Verbindung ausgebildet ist.
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Die Legierung mit hoher Entropie zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass die Dichte 6,92 bis 7,04 g/cm3 beträgt.
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Die Legierung mit hoher Entropie zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass die Streckgrenze bei Raumtemperatur 670 bis 700 MPa und die Zugfestigkeit 880 bis 920 MPa beträgt.
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Die Legierung mit hoher Entropie zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass die Rockwellhärte bei 600°C 20 bis 43 HRC beträgt.
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Die Legierung mit hoher Entropie zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass die Rockwellhärte bei 600°C 38 bis 43 HRC beträgt.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine Legierung mit hoher Entropie mit geringer Dichte eine Legierung mit hoher Entropie, die Fe, Cr, Al und Ni aufweist, wobei Mikrostrukturen eines kubisch-raumzentrierten (BCC) und eines kubisch-flächenzentrierten (FCC) Gefüges zusammen ausgebildet sind und ein Anteil des kubisch-flächenzentrierten (FCC) Gefüges 50 bis 80% beträgt.
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Die Legierung mit hoher Entropie zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass keine Sigma-Phase ausgebildet ist.
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Die Legierung mit hoher Entropie zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass keine intermetallische Verbindung ausgebildet ist.
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Die Legierung mit hoher Entropie weist auf: Fe mit 16,7 bis 25 Atom-%, Cr mit 10,5 bis 20,6 Atom-%, Al mit 12,7 bis 18 Atom-%, als Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen (bspw. besteht die Legierung aus den zuvor genannten Bestandteilen).
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Die Legierung mit hoher Entropie weist z.B. ferner 0,8 bis 1 Atom-% Ti auf.
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Es ist bevorzugt, dass die Legierung mit hoher Entropie Verunreinigungen von 0,1 Atom-% oder weniger enthält.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, die Legierung mit hoher Entropie zu implementieren, die in ähnlicher Weise die Hochtemperatureigenschaften mit der geringen Dichte gegenüber Inconel 713C beibehalten kann, das ein handelsübliches bzw. herkömmliches Material ist, das für Hochtemperaturteile verwendet wird, indem der Anteil der kubisch-flächenzentrierten (FCC) Mikrostrukturen eingestellt wird, während die kubisch-raumzentrierten (BCC) Mikrostrukturen und die kubisch-flächenzentrierten (FCC) Mikrostrukturen zusammen durch Einstellen des Gehalts jedes Elements in der Legierung mit hoher Entropie einschließlich Fe, Cr, Al und Ni ausgebildet werden.
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Insbesondere, da die Legierung mit hoher Entropie, die ausgezeichnete Eigenschaften bei hoher Temperatur hat, ohne die Verwendung von teuren Legierungselementen implementiert wird, können Herstellungskostenreduktionseffekte im Falle der Herstellung der Teile zur Verbesserung der Fahrzeugkraftstoffeinsparung erwartet werden, und es können Effekte der Anwendung der Legierung auf verschiedene Teile erwartet werden, da ein bekanntes präzise Gussverfahren möglich ist.
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Figurenliste
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Die obigen und andere Aufgaben und Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher verstanden, in denen:
- 1A ein Zustandsdiagramm für das Vergleichsbeispiel 2 ist,
- 1B ein Zustandsdiagramm für die Ausführungsform 1 ist,
- 1C ein Zustandsdiagramm für die Ausführungsform 2 ist,
- 2A ein Zustandsdiagramm gemäß dem Gehalt an Cr in [Ni33,3Fe33,3Al16,7] ist,
- 2B ein Zustandsdiagramm gemäß dem Gehalt an Al in [Ni33,3Fe33,3Cr16,7] ist,
- 3A ein Zustandsdiagramm für die Ausführungsform 3 ist,
- 3B ein Zustandsdiagramm für die Ausführungsform 4 ist,
- 3C ein Zustandsdiagramm für [Ni38,6Fe25Cr16,7Al16,7Ti3] ist,
- 4A ein Zustandsdiagramm gemäß der Zugabe von Mn in die Legierung [Ni49,1Fe16,7Cr16,7Al16,7Ti1] ist,
- 4B ein Zustandsdiagramm gemäß der Zugabe von Co in die Legierung [Ni49,1Fe16,7Cr16,7Al16,7Ti1] ist,
- 5A eine Mikrofotografie ist, die die Oberfläche eines herkömmlichen Materials nach einer Wärmebehandlung zeigt, und
- 5B eine Mikrofotografie ist, die die Oberfläche der Ausführungsform 4 nach einer Wärmebehandlung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf Ausführungsformen, wie sie nachstehend offenbart werden, beschränkt, sondern kann in verschiedenen Arten ausgeführt werden. Die Ausführungsformen, wie sie im Folgenden beschrieben werden, sind jedoch nur für spezifische Details vorgesehen, um die vorliegende Offenbarung zu vervollständigen und dem Fachmann bei einem umfassenden Verständnis der Offenbarung zu helfen.
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Gemäß einer Legierung mit hoher Entropie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, die physikalischen Eigenschaften, wie z.B. Härte und Festigkeit, bei Raumtemperatur und bei einer hohen Temperatur hervorragend aufrechtzuerhalten, da ein Verhältnis von kubisch-flächenzentrierten (FCC) Mikrostrukturen durch Einstellen des Gehalts an Legierungselementen in der Fe-Cr-Al-Ni-Legierungsserie gesteuert wird, in der kubisch-raumzentrierte (BCC) Mikrostrukturen und kubisch-flächenzentrierte (FCC) Mikrostrukturen gemeinsam ausgebildet werden.
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Insbesondere weist eine Legierung mit hoher Entropie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf: Fe mit 16,7 bis 25 Atom-%, Cr mit 10,5 bis 20,6 Atom-%, Al mit 12,7 bis 18 Atom-%, als Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen. Weiter kann die Legierung mit hoher Entropie Ti: 0,8 bis 1 Atom-% aufweisen, und es ist bevorzugt, die Verunreinigungen auf 0,1 Atom-% oder weniger einzustellen.
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In der folgenden Beschreibung, sofern nicht besonders erwähnt, bedeutet %, das als eine Einheit eines Zusammensetzungsbereichs beschrieben wird, Atom-%.
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Fe, Cr, Al und Ni sind Elemente, die eine Legierung mit hoher Entropie ausbilden, und durch die Gehaltsanpassung der Legierungselemente werden die kubisch-raumzentrierten (BCC) Mikrostrukturen und die kubisch-flächenzentrierten (FCC) Mikrostrukturen gemeinsam ausgebildet, und der Anteil der kubisch-flächenzentrierten (FCC) Mikrostrukturen wird gleichzeitig angepasst.
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Es ist beispielsweise bevorzugt, den kubisch-flächenzentrierten (FCC) Anteil so zu steuern, dass dieser durch Einstellen des Gehalts der Legierungselemente auf einem Niveau von 50 bis 80% liegt.
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Nachfolgend wird der Grund für die Beschränkung des Verhältnisses eines Gehalts eines jeden Legierungselements und eines relativen Gehalts beschrieben.
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Für die folgende Messung wurde ein Probekörper hergestellt, während der Gehalt der jeweiligen Bestandteile, wie in Tabelle 1 unten gezeigt, verändert wurde. Zum Beispiel wurde eine Mutterlegierungsschmelze mit hoher Entropie durch Lösen (bspw. Schmelzen) und Legieren der jeweiligen Bestandteile in einer Ar-Atmosphäre unter Verwendung einer Lichtbogenschmelzvorrichtung nach der Quantifizierung hergestellt, während der Gehalt der jeweiligen Bestandteile wie in Tabelle 1 gezeigt verändert wurde. Anschließend wurde der Probekörper durch Einspritzen der Mutterlegierungsschmelze mit hoher Entropie in eine Form hergestellt. [Tabelle 1]
| Einteilung | Ni | Fe | Cr | AI | Ti |
| Herkömmliches Material | Inconel 713C (handelsübliches Material) |
| Vergleichsbeispiel 1 | 25 | 25 | 25 | 25 | - |
| Vergleichsbeispiel 2 | 33,3 | 33,3 | 16,7 | 16,7 | - |
| Ausführungsform 1 | 41,6 | 25 | 16,7 | 16,7 | - |
| Ausführungsform 2 | 50 | 16,7 | 16,7 | 16,7 | - |
| Ausführungsform 3 | 40,6 | 25 | 16,7 | 16,7 | 0,8 |
| Ausführungsform 4 | 49,9 | 16,7 | 16,7 | 16,7 | 1 |
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Da die Legierung mit hoher Entropie mit einem BCC-Gefüge als Charakteristik bei Raumtemperatur eine höhere Festigkeit als die Festigkeit der Legierung mit hoher Entropie mit einem FCC-Gefüge zeigte, wurden die Gefüge in Bezug auf Proben gemäß dem herkömmlichen Material, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 der Tabelle 1 beobachtet und die Rockwellhärte (HRC) (bspw. gemäß ISO 6508-1 :2016-12) für jede Temperatur wurde gemessen. Die Ergebnisse der Messung sind in der folgenden Tabelle 2 dargestellt. [Tabelle 2]
| Einteilung | Mikrostruktur | Rockwellhärte (HRC) |
| 25°C | 400°C | 600°C | 700°C | 800°C |
| handelsübliches Material | FCC + Ausscheidungsphase | 44 | 45 | 43 | 42 | 39 |
| Vergleichsbeispiel 1 | BCC | 40 | 37 | 28 | 10 | 1 oder weniger |
| Vergleichsbeispiel 2 | BCC+FCC | 33,6 | 27 | 22 | 15 | 3,8 |
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Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, konnte im Falle des Vergleichsbeispiels 1, das auf BCC basiert, das bekanntermaßen eine ausgezeichnete Härte bei Raumtemperatur (25°C) hat, bestätigt werden, dass die Härte ähnlich der Härte bei Raumtemperatur bis 600°C beibehalten wurde, aber die physikalische Eigenschaft bei einer Temperatur über 600°C abrupt abnahm, und bei einer hohen Temperatur (700°C und 800°C) wurden Härteeigenschaften gezeigt, die niedriger waren als die des Materials Inconel 713C, das das herkömmliche bzw. handelsübliche Material ist.
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Im Gegensatz dazu wurde im Fall des Vergleichsbeispiels 2, in dem das BCC und das FCC zusammen ausgebildet wurden, im gesamten Temperaturbereich aufgrund der Ausbildung des FCC eine niedrige Härte (bspw. bei niedrigeren Temperaturen) gezeigt, aber es konnte bestätigt werden, dass aufgrund der Beschränkung des FCC-Anteils hohe Härteeigenschaften gezeigt wurden, so wie die Temperatur höher wurde.
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Dementsprechend konnte bestätigt werden, dass die physikalische Eigenschaft bei der hohen Temperatur durch Steuern der Ausbildung des FCC-Anteils verbessert werden kann.
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Als nächstes wird der Grund für das Ermitteln bzw. Festlegen des Verhältnisses eines weiteren Legierungselements zu Ni für das Steuern der Entropie beschrieben.
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Zuerst wird das Verhältnis des Gehalts von Fe zu Ni beschrieben, das ein Basislegierungselement ist.
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Um die Anteilsbeziehung zwischen der Härte bei einer hohen Temperatur und FCC (geordnetes FCC (γ') + ungeordnetes FCC (γ)) herauszufinden, wurden der Gefügeanteil, die Härte und die Duktilität von Proben gemäß den Vergleichsbeispielen 1 und 2 und den Ausführungsformen 1 und 2 gemessen, und die Ergebnisse der Messung sind in Tabelle 3 unten dargestellt.
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Weiter sind Zustandsdiagramme des Vergleichsbeispiels 2 und der Ausführungsformen 1 und 2 in
1A bis
1C dargestellt.
1A ist ein Zustandsdiagramm für das Vergleichsbeispiel 2,
1B ist ein Zustandsdiagramm für die Ausführungsform 1, und
1C ist ein Zustandsdiagramm für die Ausführungsform 2. [Tabelle 3]
| Einteilung | Anteil (600°C Referenzanteil) | FCC Anteil (%) | ORD Anteil in FCC (%) | HRC (bei 800°C) | Dehnung (bei Raumtemperatur) |
| BCC geordnet | BCC ungeordnet | FCC(γ') geordnet | FCC(Y) ungeordnet |
| Vergleichsbeispiel 1 | 28 | 72 | - | - | - | - | 1 | etwa 2% |
| Vergleichsbeispiel 2 | 45 | 13 | - | 42 | 42% | 0% | 3.8 | 15% oder mehr |
| Ausführungsform 1 | 31 | 15 | 22 | 32 | 54% | 40% | 15.2 | etwa 2,5% |
| Ausführungsform 2 | 10 | 18 | 72 | 0 | 72% | 100% | 30 | etwa 1,5% |
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Wie aus Tabelle 3 und 1A hervorgeht, konnte im Falle des Vergleichsbeispiels 2, das einer AlCrFe2Ni2-Legierung entspricht, bestätigt werden, dass das Fe:Ni-Verhältnis (Atom-%) 2:2 beträgt und als Gefüge ein geordnetes BCC (die hierin verwendeten Begriffe „ORD“ stehen für „geordnet“ und „DISORD“ für „ungeordnet“), ungeordnetes BCC und ungeordnetes FCC gemischt und erzeugt wurden.
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Wie aus Tabelle 3 und 1B und 1C hervorgeht, konnte bestätigt werden, dass geordnetes FCC (γ') + ungeordnetes FCC(γ) als neue Phase durch das Steuern des Fe-Gehalts ausgebildet werden konnte.
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Insbesondere, wenn wie im Vergleichsbeispiel 2 das Fe:Ni-Verhältnis (Atom-%) 2:2 beträgt, wurde nur das ungeordnete FCC(γ) ausgebildet, und der Effekt der Härteverbesserung bei einer hohen Temperatur war unvollständig.
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Wenn ferner wie in der Ausführungsform 1 Fe durch Ni ersetzt bzw. vertauscht wurde und das Fe:Ni-Verhältnis (Atom-%) 1:2 war, konnte bestätigt werden, dass geordnetes FCC(γ') zusammen mit geordneten BCC, ungeordneten BCC und ungeordneten FCC erzeugt wurde, und die Härte bei der hohen Temperatur wurde verbessert.
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Wenn wie in der Ausführungsform 2 das Fe:Ni-Verhältnis (Atom-%) 1:3 beträgt, wurde der Anteil an ungeordnetem FCC(γ), der die Duktilität sicherstellen kann, mit sinkender Temperatur reduziert, und es blieb nur geordnetes FCC(γ') übrig, so dass eine abrupte Sprödigkeit auftrat.
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Wenn hingegen der ungeordnete FCC-Anteil im FCC (geordnetes FCC + ungeordnetes FCC) in der Kristallstruktur verschwindet, wird die Sprödigkeit erhöht. Dementsprechend ist es bevorzugt, dass der FCC-Gesamtanteil 50 bis 80% beträgt, um das Auftreten der abrupten Sprödigkeit in der Legierung mit hoher Entropie zu unterdrücken. Noch bevorzugter ist, dass der maximale Wert des FCC-Gesamtanteils 72 % nicht überschreitet.
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Es konnte bestätigt werden, dass es bevorzugt ist, den Fe-Gehalt gleich oder höher als 16,7 Atom-% und gleich oder niedriger als 25 Atom-% zu halten.
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Als nächstes wird der Grund für die Beschränkung des Gehalts an Cr und Al beschrieben.
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2A ist ein Zustandsdiagramm gemäß dem Cr-Gehalt in [Ni33,3Fe33,3Al16,7], und 2B ist ein Zustandsdiagramm gemäß dem Al-Gehalt in [Ni33,3Fe33,3Cr16,7].
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Wie aus 2A hervorgeht, wird der FCC-Gehalt erhöht, wenn der Cr-Gehalt weniger als 16,7 Atom-% beträgt, und außerdem wird geordnetes FCC (γ') erhöht. Außerdem wird die Dichte erhöht. Insbesondere, wenn der Cr-Gehalt weniger als 10,5 Atom-% beträgt, wird das geordnete BCC bei etwa 650°C neu erzeugt, und somit wird der niedrigste Wert des Gehalts auf 10,5 Atom-% beschränkt.
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Wenn der Cr-Gehalt erhöht wird, wird der FCC-Gehalt reduziert, und, wenn der FCC-Gehalt 20,6 Atom-% übersteigt, verschwindet das ungeordnete FCC, und somit kann das Steuern der Phasen nicht durchgeführt werden.
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Dementsprechend ist es durch das Beschränken des Cr-Gehalts auf 10,5 bis 20,6 Atom-% möglich, den FCC/BCC-Phasenanteil zu steuern, und vorzugsweise kann durch das Steuern desselben auf 15 bis 18 Atom-% eine stabile physikalische Eigenschaft innerhalb des Bereichs sichergestellt werden, in dem die charakteristische Änderung nicht groß ist.
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Wie aus 2B hervorgeht, wird der FCC-Gehalt erhöht, wenn der Al-Gehalt niedriger als 16,7 Atom-% wird, und wird die Dichte erhöht. Gemäß der Erhöhung der Dichte halbiert sich ein Effekt bei der Anwendung auf Teile. Insbesondere, wenn der Al-Gehalt unter 12,7 Atom-% liegt, verschwindet die BCC-Phase, so dass das Steuern der Phase nicht mehr möglich ist.
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Außerdem verschwindet die BCC-Phase, wenn der Al-Gehalt höher ist als 18 Atom-%, und daher ist es bevorzugt, den Al-Gehalt auf 12,7 bis 18 Atom-% zu beschränken, und noch bevorzugter ist es, im Falle des Steuerns auf 16 bis 17 Atom-%, da eine stabile physikalische Eigenschaft innerhalb des Bereichs sichergestellt werden kann, in dem die charakteristische Änderung nicht groß ist.
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Um die Eigenschaften der Legierung mit hoher Entropie beizubehalten, ist es bevorzugt, den Gehalt an Cr und Al auf Cr mit 10,5 bis 20,6 Atom-% und Al mit 12,7 bis 18 Atom-% zu halten. Weiter bevorzugt ist es, den Gehalt an Cr und Al auf Cr mit 15 bis 18 Atom-% und Al mit 16 bis 17 Atom-% zu halten. Weiter bevorzugt ist es, den Gehalt an Cr und Al auf jeweils 16,7 Atom-% zu halten.
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Wenn der Gehalt an Cr und Al vom vorgeschlagenen Bereich abweicht, wird das eingestellte Verhältnis von geordnetem FCC (γ') + ungeordnetem FCC (γ) verändert, und somit wird das Steuern der Phase unmöglich.
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Um den Grund für das oben beschriebene Beschränken des Cr- und Al-Gehalts herauszufinden, wurden im Gehalt angepasste Proben wie in Tabelle 4 gezeigt hergestellt und wird der Gefügeanteil und die Härte der hergestellten Proben gemessen. Die Ergebnisse der Messung sind in Tabelle 5 dargestellt. [Tabelle 4]
| Einteilung | Ni | Fe | Cr | Al |
| Ausführungsform 1 | 41,6 | 25 | 16,7 | 16,7 |
| Ausführungsform 1-1 | 43,3 | 25 | 15 | 16,7 |
| Ausführungsform 1-2 | 40,3 | 25 | 18 | 16,7 |
| Ausführungsform 1-3 | 42,3 | 25 | 16,7 | 16 |
| Ausführungsform 1-4 | 41,3 | 25 | 16,7 | 17 |
| Ausführungsform 2 | 50 | 16,7 | 16,7 | 16,7 |
| Ausführungsform 2-1 | 51,6 | 16,7 | 15 | 16,7 |
| Ausführungsform 2-2 | 48,6 | 16,7 | 18 | 16,7 |
| Ausführungsform 2-3 | 50,6 | 16,7 | 16,7 | 16 |
| Ausführungsform 2-4 | 49,6 | 16,7 | 16,7 | 17 |
[Tabelle 5]
| Einteilung | Anteil (600°C Referenzanteil) | FCC Anteil (%) (ORD FCC/ ORD FCC + DISORD FCC Anteil) | FCC Anteils-änderung | HRC (bei Raumtemperatur) | HRC bei 800°C |
| BCC geordnet | BCC unge -ordnet | FCC(γ') geordnet | FCC(Y) ungeordnet |
| Ausführungsform 1 | 31 | 15 | 22 | 32 | 55 (59) | - | 25,4 | 15,2 |
| Ausführungsform 1-1 | 28 | 12 | 31 | 29 | 60 (48) | 9,1% | 24 | 16 |
| Ausführungsform 1-2 | 32 | 15 | 24 | 29 | 53 (54) | -3,6% | 26 | 14 |
| Ausführungsform 1-3 | 27 | 14 | 29 | 30 | 59 (50) | 7,3% | 24,5 | 15,5 |
| Ausführungsform 1-4 | 34 | 16 | 19 | 31 | 50 (62) | -9,1% | 27 | 13 |
| Ausführungsform 2 | 10 | 18 | 72 | 0 | 72 (100) | - | 30,5 | 30,1 |
| Ausführungsform 2-1 | 15 | 7 | 76 | 0 | 76 (100) | 5,6% | 29 | 31 |
| Ausführungsform 2-2 | 19 | 12 | 68 | 0 | 68 (100) | -5,6% | 31 | 29 |
| Ausführungsform 2-3 | 6 | 18 | 76 | 0 | 76 (100) | 5,6% | 29,5 | 31 |
| Ausführungsform 2-4 | 12 | 18 | 70 | 0 | 70 (100) | -2,8% | 30,5 | 30 |
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Wie aus Tabelle 4 und Tabelle 5 hervorgeht, ist es vorzuziehen, um wie vorgeschlagen eine Änderung bzw. Abweichung des eingestellten FCC-Anteils innerhalb von 10% zu halten, Cr mit 15 bis 18 Atom-% und Al mit 16 bis 17 Atom-% zu halten, und in diesem Fall konnte bestätigt werden, dass die Härteänderung bei Raumtemperatur und bei einer hohen Temperatur unvollständig war.
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Ferner konnte, wie aus Tabelle 5 hervorgeht, bestätigt werden, dass der FCC-Anteil 50 bis 80 %, vorzugsweise 50 bis 76 %, beibehalten werden konnte, wenn Cr mit 15 bis 18 Atom-% und Al mit 16 bis 17 Atom-% beibehalten wird.
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Als nächstes wird der Einfluss auf Legierungselemente beschrieben, die zusätzlich in der Legierung mit hoher Entropie gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthalten sind, die eine quaternäre Legierung mit hoher Entropie ist.
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3A ist ein Zustandsdiagramm für Ausführungsform 3, 3B ist ein Zustandsdiagramm für Ausführungsform 4 und 3C ist ein Zustandsdiagramm für [Ni38.6Fe25Cr16.7Al16.7Ti3].
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Wie aus den 3A bis 3C hervorgeht, konnte bestätigt werden, dass die Geordnetes-FCC(γ')-Ausscheidungstemperatur gemäß der Zugabe von Ti geändert wurde, und im Falle einer Verbesserung der Geordnetes-FCC(γ')-Ausscheidungstemperatur kann analog dazu die Härte bei einer höheren Temperatur verbessert werden.
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Wie jedoch aus 3C hervorgeht, konnte bei der Zugabe von Ti über einen vorbestimmten Bereich bestätigt werden, dass eine Sigma-Phase entsteht und somit die Geordnetes-FCC(γ')-Ausscheidungstemperatur sprunghaft erhöht wird.
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Die Sigma-Phase korrespondiert jedoch zu nadelförmigen Teilchen, und da deren Bildung die Sprödigkeit der Legierung verursachen kann, ist es erforderlich, den Ti-Gehalt zu steuern.
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Dementsprechend ist es bevorzugt, dass der Ti-Gehalt mit 0,8 bis 1 Atom-% beträgt, und gemäß der Zugabe von Ti kann die Ausscheidungstemperatur des geordneten FCC(γ') auf etwa 150 bis 200°C erhöht werden.
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Übersteigt der Ti-Gehalt jedoch den vorgeschlagenen Bereich, tritt das Problem auf, dass sich die nadelförmige Sigma-Phase ausbildet und damit die Sprödigkeit sprunghaft erhöht wird.
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Als nächstes wird der Einfluss von Verunreinigungen, die in der Legierung mit hoher Entropie enthalten sind, auf das Gefüge beschrieben.
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4A ist ein Zustandsdiagramm gemäß der Zugabe von Mn in die Legierung [Ni49.1Fe16.7Cr16.7Al16.7Ti1], und 4B ist ein Zustandsdiagramm gemäß der Zugabe von Co in die Legierung [Ni49.1Fe16.7Cr16.7Al16.7Ti1].
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Es ist bevorzugt, dass der Gehalt der übrigen Verunreinigungen mit Ausnahme der primären Legierungsbestandteile der Legierung mit hoher Entropie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf 0,1 Atom-% oder weniger beschränkt ist.
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Wie aus 4A und 4B hervorgeht, ist die Legierung mit hoher Entropie als eine einzelne Phase durch eine Wechselwirkung von Elementen der gleichen Elementgruppe (ähnlicher Atomradius und ähnliches Gewicht erforderlich) im Periodensystem eingerichtet, aber wenn ein anderes Element hinzugefügt wird, gibt es eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass eine intermetallische Verbindung anstelle BCC oder FCC erzeugt wird, und da die Zugabe der gleichen Gruppenelemente, wie Mn und Co, nicht nur die Phasenanteilcharakteristiken verletzen kann, sondern auch eine Phase mit hoher Sprödigkeit, wie die Sigma-Phase, erzeugen kann, ist es bevorzugt, den Gehalt auf 0,1 Atom-% oder weniger zu beschränken.
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Als nächstes wurden die Härteeigenschaften gemäß der Temperatur der Legierung mit hoher Entropie gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und die physikalischen Eigenschaften der Streckgrenze und der Zugfestigkeit bei Raumtemperatur ausgewertet, und die Dichte wurde gemessen. Die Ergebnisse der Messung sind in Tabelle 6 und Tabelle 7 dargestellt. [Tabelle 6]
| Einteilung | Rockwellhärte (HRC) |
| 25°C | 400°C | 600°C | 700°C | 800°C |
| Ausführungsform 1 | 25,4 | 26 | 20 | 17 | 15,2 |
| Ausführungsform 2 | 30,5 | 33 | 32 | 31 | 30,1 |
| Ausführungsform 3 | 36 | 37 | 38 | 38 | 35,1 |
| Ausführungsform 4 | 40 | 42 | 43 | 43 | 39,7 |
| handelsübliches Material | 44 | 45 | 43 | 42 | 39 |
[Tabelle 7]
| Einteilung | Streckgrenze (MPa) | Zugfestigkeit (MPa) | Dichte (g/cm3) | Dichtenverhältnis zum herkömmlichen Material |
| Ausführungsform 1 | 670 | 900 | 6,96 | 12,1% |
| Ausführungsform 2 | 685 | 880 | 7,04 | 11,1% |
| Ausführungsform 3 | 680 | 920 | 6,92 | 12,6% |
| Ausführungsform 4 | 700 | 890 | 6,99 | 11,7% |
| handelsübliches Material | 650 | 900 | 7,91 | - |
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Wie aus Tabelle 6 und Tabelle 7 hervorgeht, konnte gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bestätigt werden, dass die hohe Härte bei 600°C oder mehr sichergestellt werden konnte und die Streckgrenze und die Zugfestigkeit mit einem ähnlichen Niveau wie das herkömmliche bzw. handelsübliche Material oder einem verbesserten Niveau bei Raumtemperatur sichergestellt werden konnten.
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Weiter konnte bestätigt werden, dass die Ausführungsformen eine um etwa 10 % oder mehr verringerte Dichte als die von Inconel 713C haben, das ein handelsübliches Material ist, und somit konnte das geringe Gewicht erreicht werden.
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Um die Oxidationsbeständigkeitseigenschaften der Legierung mit hoher Entropie gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung herauszufinden, wurde als nächstes eine Wärmebehandlung für 100 Stunden bei 900°C in Bezug auf Proben des herkömmlichen Materials und der Ausführungsform 4 durchgeführt, und danach wurde die Dicke einer auf der Oberfläche der Probe ausgebildeten Oxidschicht gemessen.
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5A ist eine Mikrofotografie (bspw. Gefügeschnittaufnahme), die die Oberfläche eines herkömmlichen Materials nach der Wärmebehandlung zeigt, und 5B ist eine Mikrofotografie (bspw. Gefügeschnittaufnahme), die die Oberfläche der Ausführungsform 4 nach der Wärmebehandlung zeigt.
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Wie aus 5A und 5B hervorgeht, konnte bestätigt werden, dass sich auf den Oberflächen der Proben sowohl des konventionellen Materials als auch der Ausführungsform 4 eine Oxidschicht mit einer Dicke von etwa 10 m ausgebildet hat.
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Durch die oben beschriebenen Ergebnisse konnte bestätigt werden, dass das Hochtemperaturoxidationsmaß gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ähnlich dem von Inconel 713C als herkömmlichem Material war.
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Obwohl die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen und die bevorzugten Ausführungsformen wie oben beschrieben dargestellt wurde, ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt. Dementsprechend ist es dem Fachmann klar, dass verschiedene Modifikationen, Ergänzungen und Substitutionen möglich sind, ohne von dem Umfang der Offenbarung abzuweichen, wie in den beigefügten Ansprüchen beschrieben.
