KR102301075B1 - Co-Ni-Cr-Fe HIGH ENTROPY ALLOY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자기, 화학, 조선, 기계 등의 부품 소재 내지 극한 환경에서 사용되는 부품 소재 등에 사용될 수 있는 금속 합금에 관한 것으로서, 특히 합금기지 내에 쌍정 또는 제2상에 의한 twin boundary 나 phase boundary가 전위의 이동을 방해하여 가공경화 속도를 증가시켜 강도와 연성을 동시에 증가시킴으로써 기계적 특성이 더욱 향상된 비균등 조성 고엔트로피 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a metal alloy that can be used as a component material for electromagnetic, chemical, shipbuilding, machinery, etc. or a component material used in extreme environments. It relates to a non-uniform composition high entropy alloy with improved mechanical properties by simultaneously increasing strength and ductility by increasing the work hardening rate by preventing the movement of the alloy and a method for manufacturing the same.

Description

Co-Ni-Cr-Fe계 고엔트로피 합금 및 그 제조방법{Co-Ni-Cr-Fe HIGH ENTROPY ALLOY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Co-Ni-Cr-Fe-based high entropy alloy and method for manufacturing the same

본 발명은 합금기지 내에 쌍정 또는 제2상을 분포시켜 높은 기계적 특성을 나타내는 비균등 조성 Co-Ni-Cr-Fe계 고엔트로피 합금에 관한 것으로, 더욱 자세하게는, 쌍정 또는 제2상에 의한 twin boundary 나 phase boundary가 전위의 이동을 방해하여 가공경화 속도를 증가시켜 강도와 연성을 동시에 증가시킴으로써 기계적 특성이 향상된 비균등 조성 Co-Ni-Cr-Fe계 고엔트로피 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a Co-Ni-Cr-Fe-based high entropy alloy with a non-uniform composition exhibiting high mechanical properties by distributing twins or a second phase in an alloy matrix, and more particularly, twin boundary by twins or a second phase The present invention relates to a non-uniform composition Co-Ni-Cr-Fe-based high entropy alloy with improved mechanical properties by simultaneously increasing strength and ductility by increasing the work hardening rate by interfering with the movement of dislocations and a method for manufacturing the same.

각종 소재에 대한 요구 특성이 단일금속으로는 해결할 수 없는 복합 기능성 요구에 부응하고자 최근에 새로운 합금 시스템으로 고엔트로피 합금(High Entropy Alloy)으로 지칭된 새로운 종류의 물질들이 다양한 방법으로 개발되고 있다. In order to meet the complex functional needs that cannot be solved with a single metal, new types of materials called high entropy alloys as a new alloy system are being developed in various ways.

상기 고엔트로피 합금이란 금속간화합물 형성을 통해 자유에너지 감소에 의한 화합물의 형성보다는 여러 원소의 혼합에 의해 배열 엔트로피(Configuration Etropy)의 증가가 커서 전체 자유에너지를 감소시켜, 다성분 합금원소들 간의 금속간화합물이나 비정질 합금을 형성하는 것이 아니라, 여러 합금원소가 혼합된 고용체가 형성되는 합금을 의미한다.The high-entropy alloy has a large increase in configuration entropy by mixing of several elements rather than formation of a compound by reduction of free energy through formation of an intermetallic compound, thereby reducing the total free energy, and the metal between the multi-component alloy elements. It does not form an inter-compound or amorphous alloy, but means an alloy in which a solid solution in which several alloying elements are mixed is formed.

상기 고엔트로피 합금은 비특허문헌 1을 통해 알려지게 되었다. 상기 비특허문헌 1에서, 비정질 합금 또는 복잡한 금속간화합물이 형성될 것으로 예상하고 제조한 다원소 합금 Fe20Cr20Mn20Ni20Co20이 예상과 달리 결정질의 FCC(Face Centered Cubic) 고용체로 형성되어 흥미를 불러 일으킨 합금이다. 상기 고 엔트로피 합금은 기존의 합금이 60~90 중량%의 주 합금원소에 다른 합금원소가 첨가되는 것에 비해, 4 내지 5 원계 이상의 합금원소가 비슷한 비율로 혼합됨에도 단상을 이루는 특이한 특성을 가지며, 이는 혼합에 의한 배열 엔트로피가 큰 합금계에서 발견된다. The high-entropy alloy became known through Non-Patent Document 1. In the Non-Patent Document 1, the multi-element alloy Fe 20 Cr 20 Mn 20 Ni 20 Co 20 prepared with the expectation that an amorphous alloy or complex intermetallic compound will be formed is formed as a crystalline FCC (Face Centered Cubic) solid solution, contrary to expectations. It is an alloy that has aroused interest. The high entropy alloy has a unique characteristic of forming a single phase even though the alloy elements of 4 to 5 or more elements are mixed in a similar ratio compared to the existing alloys in which other alloying elements are added to 60 to 90 wt% of the main alloying element, which It is found in alloys with large arrangement entropy due to mixing.

고엔트로피 합금과 관련된 선행기술로서 특허문헌 1과 2가 있다. 상기 특허문헌 1은 다종 금속성분으로 V, Nb, Ta, Mo, Ti 등의 각 원소를 ±15 atomic% 이하의 편차로 포함되는 5종 이상의 금속 성분을 함유하며 첨가된 모든 원소가 주 원소로서 작용하는 합금 시스템으로 면심입방 및/또는 체심입방 구조의 단상 고용체로 구성되는 고경도(hardness) 및 고탄성(modulus)을 구현하는 고 엔트로피 합금을 개시하고 있다. 그러나, 위와 같은 특허문헌 1은 고가의 무거운 합금원소들이 여러 종류 첨가되고, 첨가된 합금원소들 사이의 용융점 차이로 인한 제조공정의 어려움이 있다.As prior art related to high entropy alloy, there are Patent Documents 1 and 2. The patent document 1 contains 5 or more types of metal components including V, Nb, Ta, Mo, Ti, etc. each element with a deviation of ±15 atomic% or less as a multi-type metal component, and all added elements act as main elements Disclosed is a high-entropy alloy that implements high hardness and high modulus composed of a single-phase solid solution having a face-centered cubic and/or body-centered cubic structure as an alloy system. However, in Patent Document 1 as described above, several kinds of expensive and heavy alloying elements are added, and there is a difficulty in the manufacturing process due to the melting point difference between the added alloying elements.

한편, 특허문헌 2는 세라믹 상(대표적으로 텅스텐 카바이드)과 다중 성분 고 엔트로 합금 분말을 분말 야금공정을 통해 제조된 고경도를 구현하는 고 엔트로피 합금에 관한 것으로서, 면심입방 및/또는 체심입방 구조의 단상 고용체로 구성되어 우수한 기계적 특성을 구현하는 기술이다. 그러나, 상기 특허문헌 2와 같이, 세라믹계 물질을 사용하여 합금을 제조하는 경우에는 고온의 공정이 필요하기 때문에 제조가 어렵다는 문제가 있다.On the other hand, Patent Document 2 relates to a high entropy alloy that implements a high hardness manufactured through a powder metallurgy process of a ceramic phase (typically tungsten carbide) and a multi-component high entropy alloy powder, and has a face-centered cubic and/or body-centered cubic structure. It is a technology that realizes excellent mechanical properties by being composed of a single-phase solid solution of However, as in Patent Document 2, when an alloy is manufactured using a ceramic material, there is a problem in that manufacturing is difficult because a high-temperature process is required.

특허문헌 1과 특허문헌 2와 같이, 금속이나 세라믹 합금원소들을 이용하는 고엔트로피 합금은 우수한 기계적 물성을 갖기 때문에 금속 분야 신소재로 주목을 받고 있으며. 최근에는 고온 기계적 특성과 저온 기계적 특성 등 극한환경 물성에서도 우수한 특성을 나타내고 있는 것으로 알려지면서 다양한 연구가 계속되고 있으나, 대부분의 연구가 고엔트로피 합금을 형성하기 쉬운 동일분율(Equiatomic)로 구성된 고엔트로피 합금을 제조하여 기계적 특성 및 물리적 특성을 평가하는 수준에 머물고 있기 때문에, 고엔트로피 합금을 기반으로 보다 향상된 기계적 특성을 얻기 위한 합금개발에 대한 연구가 미비한 실정이다.As in Patent Literature 1 and Patent Literature 2, high entropy alloys using metal or ceramic alloy elements are attracting attention as new materials in the metal field because they have excellent mechanical properties. Recently, various studies have been conducted as it is known that it exhibits excellent properties in extreme environmental properties such as high-temperature mechanical properties and low-temperature mechanical properties. Since it is at the level of manufacturing and evaluating mechanical properties and physical properties, research on alloy development to obtain more improved mechanical properties based on high entropy alloys is insufficient.

또한 이러한 엔트로피의 증가에 의한 구조 및 기계적 특성의 변화를 균등조성이 아닌 비균등조성에 적용하는 경우 새로운 특성이 유도되거나 기존 특성이 더욱 향상될 가능성이 큼에도 불구하고, 기존 합금계에 고엔트로피 개념을 적용하여 특성을 개선하는 연구 및 발명이 이루어지지 않고 있는 상황이다.In addition, when the change in structure and mechanical properties due to the increase in entropy is applied to a non-uniform composition rather than an equal composition, new properties are likely to be induced or existing properties will be further improved. Studies and inventions to improve characteristics by applying

미국 공개특허 US 2013/0108502 A1US Patent Publication US 2013/0108502 A1 미국 공개특허 US 2009/0074604 A1US Patent Publication US 2009/0074604 A1

Matreial Science and Engineering A, Volumes 375-377, July 2004, page 213-218. Matreial Science and Engineering A, Volumes 375-377, July 2004, page 213-218. Matreial Science and Engineering A, Volumes 711, January 2018, page 492-497. Matreial Science and Engineering A, Volumes 711, January 2018, page 492-497.

본 발명은 고엔트로피 합금의 배열 엔트로피에 의한 고용체 기지 형성 개념을 균등 조성이 아닌 비균등 조성 재료에 도입하여, 다양한 합금원소의 종류와 함량을 엔트로피가 증가하는 방향으로 설계함으로써 엔트로피의 증가에 의한 취성 금속간화합물의 형성을 억제하여 가공성 및 기계적 특성이 우수한 고엔트로피 합금을 제공함에 기술적 의의가 있다. The present invention introduces the concept of forming a solid solution matrix by arrangement entropy of a high entropy alloy to a material having a non-uniform composition rather than a uniform composition, and by designing the types and contents of various alloying elements in the direction of increasing entropy, brittleness due to increase in entropy It has technical significance in providing a high-entropy alloy with excellent workability and mechanical properties by suppressing the formation of intermetallic compounds.

따라서 본 발명의 일측면은, 쌍정 또는 제2상에 의한 twin boundary나 phase boundary가 전위의 이동을 방해하여 가공경화 속도를 증가시켜 강도와 연성을 동시에 증가시킴으로써 기계적 특성이 향상된 비균등 조성 Co-Ni-Cr-Fe계 고엔트로피 합금 및 이를 제조하는 방법을 제공함을 목적으로 한다. Accordingly, one aspect of the present invention is a non-uniform composition Co-Ni with improved mechanical properties by simultaneously increasing strength and ductility by increasing the work hardening rate by preventing the movement of dislocations by twin boundary or phase boundary by twin or second phase An object of the present invention is to provide a -Cr-Fe-based high entropy alloy and a method for manufacturing the same.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자가 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, The present invention for achieving the above object,

원자%로, Co: 35% 초과 80% 이하, Ni: 35% 초과 80% 이하, Cr: 5% 초과 35% 이하 및 Fe: 4.6% 초과 5.0% 이하를 포함하여 조성되는 가공성 및 가공경화 성능이 우수한 비균등 조성 고엔트로피 합금에 관한 것이다. In atomic%, the workability and work hardening performance of the composition including Co: more than 35% and 80% or less, Ni: more than 35% and 80% or less, Cr: more than 5% to 35% or less, and Fe: more than 4.6% to 5.0% or less It relates to an excellent non-uniform composition high entropy alloy.

상기 비균등 조성 엔트로피 합금은, C: 0.01~5.0%, N: 0.01~5.0%, B: 0.01~5.0%, Si: 0.01~10%, Cu: 0.01~10%, V: 0.01~10% 및 Al: 0.01~10% 중 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다. The non-uniform composition entropy alloy is, C: 0.01 to 5.0%, N: 0.01 to 5.0%, B: 0.01 to 5.0%, Si: 0.01 to 10%, Cu: 0.01 to 10%, V: 0.01 to 10% and Al: at least one of 0.01 to 10% may be further included.

또한 본 발명은,Also, the present invention

상기 조성성분을 만족하는 금속 재료를 준비하는 단계;preparing a metal material satisfying the compositional component;

상기 준비된 금속 재료를 용융하여 합금을 제조하는 단계;preparing an alloy by melting the prepared metal material;

상기 제조된 합금을 800~1250℃의 온도범위에 1~48 시간 동안 균질화 열처리하는 단계; Homogenizing heat treatment of the prepared alloy at a temperature range of 800 to 1250° C. for 1 to 48 hours;

상기 균질화 열처리 후 냉각하는 단계; 및 cooling after the homogenization heat treatment; and

상기 냉각된 합금을 가공하는 단계;를 포함하는 비균등 조성 고엔트로피 합금의 제조방법에 관한 것이다. It relates to a method for manufacturing a non-uniform composition high entropy alloy comprising; processing the cooled alloy.

상기 금속재료는 C: 0.01~5.0%, N: 0.01~5.0%, B: 0.01~5.0%, Si: 0.01~10%, Cu: 0.01~10%, V: 0.01~10% 및 Al: 0.01~10% 중 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다. The metal material is C: 0.01 to 5.0%, N: 0.01 to 5.0%, B: 0.01 to 5.0%, Si: 0.01 to 10%, Cu: 0.01 to 10%, V: 0.01 to 10%, and Al: 0.01 to It may further include one or more of 10%.

상기 준비된 금속 재료를 합금화하기 위하여, 주조, 아크 용해, 분말 야금, 용사주조, 용사코팅, 분사코팅, 3D-printing 중 선택된 1종의 방법을 이용할 수 있다.In order to alloy the prepared metal material, one selected from casting, arc melting, powder metallurgy, thermal spray casting, thermal spray coating, spray coating, and 3D-printing may be used.

상기 균질화 처리 후 냉각된 합금을 단조, 압출, 압연, 인발 중 하나의 방법을 이용하여 가공할 수 있다. After the homogenization treatment, the cooled alloy may be processed using one of forging, extrusion, rolling, and drawing.

상기 가공된 합금을 350~800℃ 온도범위에서 0.5~72 시간 동안 열처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. It may further comprise the step of heat-treating the processed alloy for 0.5 to 72 hours at a temperature range of 350 ~ 800 ℃.

상술한 구성의 본 발명에 의하면, 합금원소들이 전위와 반응하여 전위이동 억제 또는 부분 쌍정전위의 확장을 유도하여 변형쌍정을 유발시킴으로써 고엔트로피 합금의 기계적 특성과 가공성을 향상시킬 수 있다. According to the present invention having the above configuration, the mechanical properties and workability of the high entropy alloy can be improved by inducing strain twins by inhibiting dislocation movement or inducing expansion of partial twin dislocations by reacting with dislocations of alloying elements.

또한, 본 발명의 비균등 조성 고엔트로피 합금은 기계적 특성이 크게 향상되어, 저온에서 우수한 인성 및 고강도가 요구되는 해양플랜트, 극한환경 구조 소재로 응용될 수 있을 뿐만 아니라 원자력 압력용기, 피복관, 화력 발전용 터빈 블레이드 등의 고온 소재로 응용 등 고 엔트로피 합금의 보다 다양한 활용이 가능한 장점이 있다.In addition, the non-uniform composition high-entropy alloy of the present invention has greatly improved mechanical properties, so it can be applied to offshore plants requiring excellent toughness and high strength at low temperatures, as well as structural materials in extreme environments, as well as nuclear pressure vessels, cladding tubes, and thermal power plants. It has the advantage of being able to use more diverse high-entropy alloys such as applications as high-temperature materials such as turbine blades for use.

도 1은 본 발명의 고엔트로피 합금의 적층결함에너지와 합금조성의 영향에 의한 쌍정유기 합금설계 개념도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 제조방법 일예를 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 중 발명예 1의 미세조직을 관찰한 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 중 발명예 2의 미세조직을 관찰한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 중 발명예 1 및 발명예 2의 XRD 분석 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 중 발명예 1과 발명예 2의 기계적 특성을 나타낸 그래프이다.
1 shows a conceptual diagram of the design of a twin-organic alloy by the influence of the stacking fault energy and the alloy composition of the high entropy alloy of the present invention.
2 is a flowchart showing an example of the manufacturing method of the present invention.
3 is a photograph observing the microstructure of Inventive Example 1 among the Examples of the present invention.
4 is a photograph observing the microstructure of Inventive Example 2 among the Examples of the present invention.
5 is an XRD analysis graph of Inventive Examples 1 and 2 among the Examples of the present invention.
6 is a graph showing the mechanical properties of Inventive Examples 1 and 2 among the Examples of the present invention.

이하, 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described.

본 발명의 발명자들은 최근 고강도와 고연성의 기계적 특성을 나타내는 새로운 소재개발에 대한 연구를 행하였다. 그 결과, 균등조성의 고엔트로피 합금에 비균등 조성 개념을 도입하여, 다양한 합금원소의 종류와 함량을 엔트로피가 증가하는 방향으로 설계함으로써 엔트로피의 증가에 의한 취성 금속간화합물의 형성을 억제하여 가공성 및 가공경화 성능이 우수한 고엔트로피 합금을 제공할 수 있음을 확인하였다. 그리고 이에 따라 합금기지 내에 쌍정 또는 제2상에 의한 twin boundary나 phase boundary가 전위의 이동을 방해하여 가공경화 속도를 증가시켜 우수한 강도와 연성을 구현할 수 있음을 인지하고 본 발명을 완성하게 되었다. The inventors of the present invention have recently conducted research on the development of new materials exhibiting mechanical properties of high strength and high ductility. As a result, by introducing the concept of a non-uniform composition to a high-entropy alloy of uniform composition, and by designing the types and contents of various alloying elements in a direction in which entropy increases, the formation of brittle intermetallic compounds caused by an increase in entropy is suppressed to improve workability and It was confirmed that a high entropy alloy having excellent work hardening performance can be provided. In addition, the present invention was completed after recognizing that the twin boundary or phase boundary caused by the twin or the second phase in the alloy matrix increases the work hardening rate by interfering with the movement of dislocations, thereby achieving excellent strength and ductility.

이하, 본 발명의 비균등 조성 고엔트로피 합금에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, the non-uniform composition high entropy alloy of the present invention will be described in detail.

본 발명의 비균등 조성 고엔트로피 합금은, 원자%로, Co: 35% 초과 80% 이하, Ni: 35% 초과 80% 이하, Cr: 5% 초과 35% 이하 및 Fe: 4.6% 초과 5.0% 이하를 포함하여 조성된다. The non-uniform composition high entropy alloy of the present invention, in atomic%, Co: more than 35% 80% or less, Ni: more than 35% 80% or less, Cr: more than 5% 35% or less, and Fe: more than 4.6% and 5.0% or less is composed, including

상기 Co, Ni, Fe 및 Cr은 고엔트로피 합금을 구성하는 원소로서, 4주기 천이원소 그룹이며, 원자반경의 차이 등이 작아 고용체 등을 이루기 적합한 원소이다. 상기 Ni는 면심입방(FCC) 고용체를 촉진하는 원소이며, Co는 조직의 미세화, Cr은 내식성을 향상시킨다. 상기 원소 중 Co와 Ni 함량이 35% 초과, 80% 이하인 이유는 가능한 한 엔트로피를 극대화시키되, 기지가 단일상의 특성을 갖도록 Co와 Ni의 성분이 다른 구성원소보다 높게 하기 위함이다. 구체적으로, Ni 함량이 35% 초과, 80% 이하인 이유는 엔트로피를 극대화시키되, 기지가 FCC의 특성을 갖도록 하기 위함이며, Co 함량이 35% 초과, 80% 이하인 이유는 엔트로피를 극대화시키되, 조직의 미세화 및 상변태 유기를 최적화하기 위함이다. The Co, Ni, Fe, and Cr are elements constituting a high entropy alloy, and are a group of four-period transition elements, and are elements suitable for forming a solid solution and the like due to small differences in atomic radii. The Ni is an element that promotes a face-centered cubic (FCC) solid solution, Co improves the microstructure, and Cr improves corrosion resistance. The reason why the content of Co and Ni among the elements is greater than 35% and less than or equal to 80% is to maximize entropy as much as possible, so that the components of Co and Ni are higher than other elemental elements so that the matrix has the characteristics of a single phase. Specifically, the reason why the Ni content is more than 35% and less than 80% is to maximize entropy, but to make the matrix have the characteristics of FCC, and the reason why the Co content is more than 35% and less than 80% maximizes entropy, but This is to optimize refinement and induction of phase transformation.

그리고 Cr 함량이 5% 초과, 35% 이하인 이유는 엔트로피를 극대화시키되, 내식성을 최적화하기 위함이이며, Fe 함량이 4.6% 초과, 5.0% 이하인 이유는 엔트로피를 극대화시키되, 기지가 FCC 특성을 갖기 위함이다. And the reason that the Cr content is more than 5% and less than 35% is to maximize entropy but to optimize corrosion resistance, and the reason why the Fe content is more than 4.6% and less than 5.0% is to maximize entropy, but the matrix has FCC characteristics. am.

상기와 같이, 본 발명은 상기 Cr 및 Fe 함량이 각각 Co나 Ni 함량을 초과하지 않도록 설계된 비균등 조성 Co-Ni-Cr-Fe계 고엔트로피 합금을 제공함을 특징으로 한다. As described above, the present invention is characterized in that it provides a Co-Ni-Cr-Fe-based high-entropy alloy designed so that the Cr and Fe contents do not exceed the Co or Ni contents, respectively.

본 발명의 비균등 조성 고엔트로피 합금은, C: 0.01~5.0%, N: 0.01~5.0%, B: 0.01~5.0%, Si: 0.01~10%, Cu: 0.01~10%, V: 0.01~10% 및 Al: 0.01~10% 중 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다. The non-uniform composition high entropy alloy of the present invention, C: 0.01 to 5.0%, N: 0.01 to 5.0%, B: 0.01 to 5.0%, Si: 0.01 to 10%, Cu: 0.01 to 10%, V: 0.01 to 10% and Al: may further include one or more of 0.01 to 10%.

상기 C, N 및 B는 침입형 원소로, Si, Cu, V, Al은 치환형 원소로 전위 또는 쌍정 부분전위와 반응하여 쌍정 또는 상변태을 유도하여 twin boundary나 phase boundary가 전위의 이동을 방해하여 가공경화 속도를 증가시키는 역할을 한다. The C, N, and B are interstitial elements, and Si, Cu, V, and Al are substitution-type elements, which react with dislocations or twin partial dislocations to induce twin or phase transformations, so that twin boundaries or phase boundaries interfere with the movement of dislocations. It serves to increase the curing rate.

상기 C, N 과 B의 함량을 각각 0.01~5%로 하는 것은, 이들 원소가 0.01% 미만으로 너무 적은 경우에는 전위와의 반응응력이 너무 작고, 5%을 초과하는 경우에는 격자뒤틀림이 심하고 고용한도를 벗어나 기지를 취화시키며, 전위와의 반응 효율성이 감소하기 때문이다.The content of C, N and B is 0.01 to 5%, respectively, when these elements are too small, less than 0.01%, the reaction stress with dislocation is too small, and when it exceeds 5%, lattice distortion is severe and solid solution This is because it embrittles the matrix beyond the limit and reduces the efficiency of the reaction with dislocations.

한편 상기 Si, Cu, V 및 Al은 고엔트로피 합금의 기지를 이루는 주원소인 Fe, Cr, Ni 및 Co 대비 원자 반경의 차이가 크고, 원자가 등의 차이가 커서, 전위에 편석되어 전위의 이동 및 부분전위의 결합을 방해하여, 쌍정 또는 상변태를 유도하며, 이에 따라 twin boundary 나 phase boundary가 전위의 이동을 방해하여 가공경화 속도를 증가시킨다. 만일 상기 Si, Cu, V 및 Al 의 함량을 각각 0.01% 미만에서는 전위와의 편석 및 반응 효과가 너무 작은 반면, 10%를 초과하는 경우에는 격자뒤틀림이 심하고 고용한도를 벗어나 기지를 취화시키며, 전위와의 반응 효율성이 감소할 수 있다.On the other hand, Si, Cu, V and Al have a large difference in atomic radius compared to Fe, Cr, Ni and Co, which are the main elements constituting the matrix of a high entropy alloy, and a large difference in valence, etc. By interfering with the bonding of partial dislocations, twins or phase transformations are induced, and thus twin boundaries or phase boundaries impede the movement of dislocations, thereby increasing the work hardening rate. If the content of Si, Cu, V and Al is less than 0.01%, respectively, the segregation and reaction effect with dislocations is too small, whereas if it exceeds 10%, lattice distortion is severe and embrittles the matrix beyond the solid solution limit, The reaction efficiency with

도 1은 본 발명인 비균등 조성 고엔트로피 합금의 적층결함에너지와 합금조성의 영향에 의한 쌍정유기 합금설계 개념도를 나타낸 것이다.1 shows a conceptual diagram of a twin organic alloy design by the influence of the stacking fault energy and the alloy composition of the non-uniform composition high entropy alloy of the present invention.

도 1에서 보는 바와 같이, 높은 적층결함에너지 영역에서는 Wavy 슬립을 나타내며, 원자크기 차이×합금조성% 값이 증가함에 따라 합금원소들이 전위와 반응하여 전위이동 억제 또는 부분쌍정전위의 확장을 유도하여 변형쌍정을 유발시킨다. 에 따라 적층결함에너지가 낮은 소재는 물론 적층결함에너지가 높은 경우에도 Wavy 슬립 영역에서 Planar 슬립 영역 및 TWIP 영역으로 변화하게 된다. 이와 같이 적층결함에너지가 낮아진 고엔트로피 합금은 쌍정 및 상변태에 의한 twin boundary나 phase boundary가 전위의 이동을 방해하여 가공경화 속도를 증가시켜, 고엔트로피 합금에 비하여 우수한 강도와 연성을 나타낼 수 있는 것이다. As shown in Fig. 1, wavy slip is exhibited in the high stacking fault energy region, and as the atomic size difference x alloy composition % value increases, alloying elements react with dislocations to inhibit dislocation movement or induce expansion of partial twin dislocations and deform induce twins. Accordingly, the wavy slip region changes to the planar slip region and the TWIP region even for materials with low stacking fault energy as well as high stacking fault energy. In a high entropy alloy with a lower stacking fault energy as described above, the twin boundary or phase boundary due to twin and phase transformation interferes with the movement of dislocations, thereby increasing the work hardening rate, thereby exhibiting superior strength and ductility compared to high entropy alloys.

다음으로, 본 발명의 비균등 조성 고엔트로피 합금의 제조방법에 대해 상세히 설명한다. Next, a method for producing a non-uniform composition high entropy alloy of the present invention will be described in detail.

본 발명의 비균등 조성 고엔트로피 합금의 제조방법, 상기 조성성분을 만족하는 금속 재료를 준비하는 단계; 상기 준비된 금속 재료를 용융하여 합금을 제조하는 단계; 상기 제조된 합금을 800~1250℃의 온도범위에 1~48 시간 동안 균질화 열처리하는 단계;를 포함한다. A method for manufacturing a non-uniform composition high entropy alloy of the present invention, comprising the steps of: preparing a metal material satisfying the composition; preparing an alloy by melting the prepared metal material; and homogenizing heat treatment for 1 to 48 hours at a temperature range of 800 to 1250° C. for the prepared alloy.

도 2는 본 발명의 제조방법 일예를 나타낸 순서도이다.2 is a flowchart showing an example of the manufacturing method of the present invention.

도 2에 나타난 바와 같이, 상기 조성성분을 만족하는 금속 재료를 준비한 후,이를 용융하여 합금을 제조한다. As shown in FIG. 2 , after preparing a metal material satisfying the above composition, it is melted to prepare an alloy.

상기 용융과정은 제조된 금속 재료를 합금화하기 위한 것으로서, 본 발명에서는 그 방법에 대해 특별히 한정하지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상 행해지는 방법에 의한다.The melting process is for alloying the manufactured metal material, and the method is not particularly limited in the present invention, and the method is generally performed in the technical field to which the present invention belongs.

즉, 본 발명에서는 상기 준비된 금속 재료를 합금화하기 위하여, 주조, 아크 용해, 분말 야금, 용사주조, 용사코팅, 분사코팅, 3D-printing 중 선택된 1종의 방법을 제한없이 이용할 수 있다.That is, in the present invention, in order to alloy the prepared metal material, one method selected from casting, arc melting, powder metallurgy, thermal spray casting, thermal spray coating, spray coating, and 3D-printing may be used without limitation.

이어 본 발명에서는 기 제조된 합금을 800~1250℃의 온도범위에 1~48 시간 동안 1차 균질화 열처리한다. 비균등 조성 고엔트로피 합금은 다양한 원소가 혼합되어 있으므로, 충분한 확산을 유도하기 위해서 균질화 열처리를 행한다. 상기 균질화 열처리는 850~1250℃의 온도범위에서 1~48시간 유지하는 것이 바람직하다. 만일 균질화열처리 온도가 850℃ 미만이면 합금원소들이 합금기지내에 균일하게 고용되는데 많은 시간이 필요하며, 1250℃를 초과하면 일부 합금원소들이 부분 용융을 일으키는 문제를 야기시킬 수 있다. Next, in the present invention, the pre-fabricated alloy is subjected to a primary homogenization heat treatment in a temperature range of 800 to 1250° C. for 1 to 48 hours. Since various elements are mixed in a non-uniform composition high entropy alloy, homogenization heat treatment is performed to induce sufficient diffusion. The homogenization heat treatment is preferably maintained at a temperature range of 850 to 1250° C. for 1 to 48 hours. If the homogenization heat treatment temperature is less than 850 ℃, it takes a lot of time for the alloying elements to be uniformly dissolved in the alloy matrix, and if it exceeds 1250 ℃, it may cause a problem that some alloying elements cause partial melting.

그리고 본 발명에서 상기 1차 균열 열처리된 합금을 냉각한 후, 가공한다. And after cooling the alloy subjected to the first crack heat treatment in the present invention, it is processed.

본 발명에서 상기 냉각 방식을 특별히 한정하기 않으므로, 수냉, 유냉, 공냉 등의 방식으로 행할 수 있다. 상기 냉각 과정을 통해 미세조직에서 기지조직에 고용되지 않는 일부 금속성분들이 균일하게 분포되도록 한다. Since the cooling method is not particularly limited in the present invention, the cooling method may be performed by water cooling, oil cooling, air cooling, or the like. Through the cooling process, some metal components that are not dissolved in the matrix in the microstructure are uniformly distributed.

본 발명에서는 상기 균질화 처리 후 냉각된 합금을 단조, 압출, 압연, 인발 등 중 하나의 방법을 이용하여 가공할 수 있다. In the present invention, the alloy cooled after the homogenization treatment may be processed using one of forging, extrusion, rolling, drawing, and the like.

나아가, 본 발명에서는 상기 가공된 합금을 350~800℃ 온도범위에서 0.5~72 시간 동안 열처리하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다. Furthermore, in the present invention, heat treatment of the processed alloy in a temperature range of 350 to 800° C. for 0.5 to 72 hours; may further include.

그리고 상기 가공후에는 단상의 고용체 기지조직에 쌍정, 상변태에 의한 다양한 형상의 상변태 석출물이 동시에 존재하는 미세조직을 만들기 위해서, 열처리를 행할 수 있다. 이러하 열처리는 쌍정, 상변태에 의한 다양한 형상의 상변태 석출물들을 기지에 골고루 석출시키기 위한 공정으로서, 350~850℃의 온도범위로 0.5~72시간 동안 유지한 후, 냉각한다. 만일 2차 열처리온도가 350℃ 미만이면 합금원소을 기지내에 석출시키기 어려우며, 850℃를 초과하면 기지내에 석출되었던 합금원소들이 합금기지내로 재고용되는 현상이 나타나 석출효과가 떨어지는 문제를 발생시킬 수 있다. 한편 이때 냉각은 상기와 마찬가지로, 수냉, 유냉, 공냉, 노냉 등의 방식으로 행할 수 있다.And, after the processing, a heat treatment may be performed to create a microstructure in which twin crystals and phase transformation precipitates of various shapes by phase transformation exist simultaneously in a single-phase solid solution matrix structure. This heat treatment is a process for evenly precipitating phase transformation precipitates of various shapes by twins and phase transformation on a matrix, and is maintained at a temperature range of 350 to 850° C. for 0.5 to 72 hours and then cooled. If the secondary heat treatment temperature is less than 350 ℃, it is difficult to precipitate the alloying elements in the matrix, and if it exceeds 850 ℃, the alloying elements that have been deposited in the matrix are re-dissolved into the alloy matrix. Meanwhile, at this time, the cooling may be performed in the same manner as above, such as water cooling, oil cooling, air cooling, furnace cooling, or the like.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

(실시예)(Example)

먼저, 하기 표 1과 같이 조성성분을 갖는 비균등 조성 고엔트로피 합금을 제조하였다.First, a non-uniform composition high-entropy alloy having a composition component as shown in Table 1 was prepared.

구체적으로, 하기 표 1의 조성(at%)을 갖는 금속 재료를 준비하고, 이를 진공 분위기에서 아크 용해(Arc Melting)하여 합금을 제조하였다. 이후, 1200℃에서 6시간 균질화 열처리를 수행한 후 냉각하였다. Specifically, an alloy was prepared by preparing a metal material having the composition (at%) shown in Table 1 below, and arc melting it in a vacuum atmosphere. Thereafter, the homogenization heat treatment was performed at 1200° C. for 6 hours, followed by cooling.

이후 냉각된 각 합금을 압연 가공한 후, 이를 850℃에서 1시간 동안 열처리하여 최종 합금 제품을 제조하였다. Thereafter, each cooled alloy was rolled and heat treated at 850° C. for 1 hour to prepare a final alloy product.

한편, 상기와 같이 제조된 비균등 조성 고엔트로피 합금에 대해서는 1mm 두께의 판재 만들어, 인장시험을 수행하여 그 기계적 물성을 평가하고 이를 표 1에 함께 병기하였다. On the other hand, for the non-uniform composition high entropy alloy prepared as described above, a 1 mm thick plate was made, a tensile test was performed, and the mechanical properties were evaluated, and the results are listed together in Table 1.

구분division 합금alloy 인장강도
(MPa)
tensile strength
(MPa)
항복강도
(MPa)
yield strength
(MPa)
연신율
(%)
elongation
(%)
비교예 1Comparative Example 1 Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 Co 20 Cr 20 Fe 20 Mn 20 Ni 20 496496 336336 6868 비교예 2Comparative Example 2 Co25Ni25Fe25Mn25 Co 25 Ni 25 Fe 25 Mn 25 784784 532532 6060 발명예 1Invention Example 1 Co40Ni40Cr15Fe5 Co 40 Ni 40 Cr 15 Fe 5 790790 385385 7575 발명예 2Invention Example 2 Co40Ni40Cr15Fe4.7C0.3 Co 40 Ni 40 Cr 15 Fe 4.7 C 0.3 910910 650650 6060 발명예 3Invention example 3 Co40Ni40Cr15Fe4.7N0.3 Co 40 Ni 40 Cr 15 Fe 4.7 N 0.3 810810 564564 7575 발명예 4Invention Example 4 Co40Ni40Cr15Fe4.7B0.3 Co 40 Ni 40 Cr 15 Fe 4.7 B 0.3 805805 560560 7070 발명예 5Invention Example 5 Co40Ni40Cr15Fe4.6C0.2N0.2 Co 40 Ni 40 Cr 15 Fe 4.6 C 0.2 N 0.2 880880 600600 6565 발명예 6Invention example 6 Co40Ni40Cr15Fe4.7Al0.3 Co 40 Ni 40 Cr 15 Fe 4.7 Al 0.3 875875 540540 5858 발명예 7Invention Example 7 Co40Ni40Cr15Fe4.7V0.3 Co 40 Ni 40 Cr 15 Fe 4.7 V 0.3 900900 643643 5555 발명예 8Invention Example 8 Co40Ni40Cr15Fe4.7Cu0.3 Co 40 Ni 40 Cr 15 Fe 4.7 Cu 0.3 860860 585585 5959 발명예 9Invention Example 9 Co40Ni40Cr15Fe4.7Si0.3 Co 40 Ni 40 Cr 15 Fe 4.7 Si 0.3 855855 534534 5050 발명예 10Invention example 10 Co40Ni40Cr15Fe4.6V0.2C0.2 Co 40 Ni 40 Cr 15 Fe 4.6 V 0.2 C 0.2 925925 660660 5353

표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 조성을 만족하고, 단상의 고용체 기지조직에 쌍정, 상변태에 의한 다양한 형상의 상변태 석출물이 동시에 존재하는 발명예 1 내지 10의 경우에는 비교예에 비해 우수한 강도와 연성을 균형있게 확보할 수 있는 것을 확인할 수 있다. 특히, 비교예 1 내지 2와 비교하여, 본 발명의 발명예에서의 비균등 조성 고엔트로피 합금은 단상의 고용체 기지조직에 변형시 기지내에 쌍정 또는 상변태에 의한 twin boundary 나 phase boundary가 전위의 이동을 방해하여 가공경화 속도를 증가시켜, 균등 조성 고엔트로피 합금에 비하여 우수한 강도와 연성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.As shown in Table 1, in the case of Inventive Examples 1 to 10, in which the composition of the present invention is satisfied, twin crystals and phase transformation precipitates of various shapes due to phase transformation exist simultaneously in the single-phase solid solution matrix structure, superior strength and ductility compared to Comparative Examples It can be seen that a balance can be obtained. In particular, in comparison with Comparative Examples 1 and 2, the high entropy alloy of unequal composition in the inventive example of the present invention exhibits the movement of dislocations in the twin boundary or phase boundary due to twin or phase transformation in the matrix when deformed in the single-phase solid solution matrix structure. It can be confirmed that by increasing the work hardening rate by interfering, superior strength and ductility can be secured compared to high-entropy alloys of uniform composition.

도 3은 본 발명예 1의 미세조직을 관찰한 사진으로서, 도 3a에서 보여 주는 바와 같이 기지내에 많은 전위가 형성되어 있음을 확인할 수 있으며, 도 3b에서 보여주는 바와 같이 기지 내에 많은 쌍정들이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.3 is a photograph observing the microstructure of Inventive Example 1, and it can be confirmed that many dislocations are formed in the matrix as shown in FIG. 3a, and many twins are formed in the matrix as shown in FIG. 3b. can confirm.

도 4는 본 발명예 2의 미세조직을 관찰한 사진으로서, 도 4에서 보여 주는 바와 같이 기지내에 제2상의 존재를 보여주는 미세조직이다. 4 is a photograph of the microstructure of Example 2 of the present invention, and as shown in FIG. 4, it is a microstructure showing the presence of a second phase in the matrix.

도 5는 상기 발명예 1 및 발명예 2의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 5에 나타난 바와 같이, 상기 발명예 1 및 발명예 2는 단상의 면심입방구조의 기지조직을 가지는 것을 확인할 수 있다. 5 is a graph showing the XRD analysis results of Inventive Examples 1 and 2 above. As shown in FIG. 5 , it can be seen that Inventive Examples 1 and 2 have a matrix structure of a single-phase face-centered cubic structure.

한편, 도 6는 상기 발명예 1 및 발명예 2의 기계적 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 6에 나타난 바와 같이, 발명예 1에 비하여 탄소(C)를 첨가하여 기지 내에 제2상을 분포시킨 발명예 2가 더 높은 강도를 나타내며, 연신율은 기지 내에 쌍정을 형성시킨 발명예 1의 합금이 발명예 2의 합금 보다 크다는 것을 보여준다. 즉 발명예 1과 발명에 2 모두 비교예 합금에 비하여 강도와 연신율 모두 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있다. Meanwhile, FIG. 6 is a graph showing the results of evaluating the mechanical properties of Inventive Examples 1 and 2 above. As shown in Figure 6, compared to Inventive Example 1, Inventive Example 2 in which carbon (C) was added to distribute the second phase in the matrix exhibited higher strength, and the elongation was the alloy of Inventive Example 1 in which twin crystals were formed in the matrix. This shows that the alloy of Inventive Example 2 is larger than that of the alloy. That is, it can be seen that both Inventive Example 1 and Inventive Example 2 exhibit superior properties in both strength and elongation compared to the alloy of Comparative Example.

본 발명은 상기 구현 예 및 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 구현 예 및 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해 해야만 한다. The present invention is not limited to the above embodiments and examples, but may be manufactured in various different forms, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can use other methods without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be understood that it may be embodied in specific forms. Therefore, it should be understood that the embodiments and embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (7)

삭제delete 삭제delete 원자%로, Co: 35% 초과 40% 이하, Ni: 35% 초과 40% 이하, Cr: 5% 초과 15% 이하 및 Fe: 4.6% 이상 5.0% 이하를 포함하는 금속 재료를 준비하는 단계;
상기 준비된 금속 재료를 용융하여 합금을 제조하는 단계;
상기 제조된 합금을 800~1250℃의 온도범위에 1~48 시간 동안 1차 균질화 열처리하는 단계;
상기 균질화 열처리 후 냉각하는 단계; 및
상기 냉각된 합금을 가공하는 단계;를 포함하는 가공성 및 가공경화 성능이 우수한 비균등 조성 고엔트로피 합금의 제조방법.
Preparing a metallic material comprising, in atomic%, Co: more than 35% and 40% or less, Ni: more than 35% and 40% or less, Cr: more than 5% to 15% or less, and Fe: 4.6% or more to 5.0% or less;
preparing an alloy by melting the prepared metal material;
First homogenizing heat treatment for 1 to 48 hours in a temperature range of 800 to 1250 ℃ the prepared alloy;
cooling after the homogenization heat treatment; and
Processing the cooled alloy; Method for producing a non-uniform composition high entropy alloy excellent in workability and work hardening performance comprising a.
제 3항에 있어서, 상기 금속재료는, C: 0.01~5.0%, N: 0.01~5.0%, B: 0.01~5.0%, Si: 0.01~10%, Cu: 0.01~10%, V: 0.01~10% 및 Al: 0.01~10% 중 1종 이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가공성 및 가공경화 성능이 우수한 비균등 조성 고엔트로피 합금의 제조방법.
According to claim 3, wherein the metal material, C: 0.01 to 5.0%, N: 0.01 to 5.0%, B: 0.01 to 5.0%, Si: 0.01 to 10%, Cu: 0.01 to 10%, V: 0.01 to 10% and Al: A method for producing a non-uniform composition high entropy alloy excellent in workability and work hardening performance, characterized in that it further comprises at least one of 0.01 to 10%.
제 3항에 있어서, 상기 준비된 금속 재료를 합금화하기 위하여, 주조, 아크 용해, 분말 야금, 용사주조, 용사코팅, 분사코팅, 3D-printing 중 선택된 1종의 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 가공성 및 가공경화 성능이 우수한 비균등 조성 고엔트로피 합금의 제조방법.
[4] The processability and processing according to claim 3, wherein one selected from casting, arc melting, powder metallurgy, thermal spray casting, thermal spray coating, spray coating, and 3D-printing is used to alloy the prepared metal material. A method for producing a non-uniform composition high entropy alloy with excellent hardening performance.
제 3항에 있어서, 상기 균질화 처리 후 냉각된 합금을 단조, 압출, 압연, 인발 중 하나의 방법을 이용하여 가공하는 것을 특징으로 하는 가공성 및 가공경화 성능이 우수한 비균등 조성 고엔트로피 합금의 제조방법.
The method of claim 3, wherein the alloy cooled after the homogenization treatment is processed using one of forging, extrusion, rolling, and drawing methods. .
제 3항에 있어서, 상기 가공된 합금을 350~800℃ 온도범위에서 0.5~72 시간 동안 열처리하는 단계;를 추가로 포함하는 가공성 및 가공경화 성능이 우수한 비균등 조성 고엔트로피 합금의 제조방법. [Claim 4] The method of claim 3, further comprising heat-treating the processed alloy at a temperature of 350-800° C. for 0.5-72 hours.
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