KR20210143564A - Medium entropy alloys and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR20210143564A KR1020200060498A KR20200060498A KR20210143564A KR 20210143564 A KR20210143564 A KR 20210143564A KR 1020200060498 A KR1020200060498 A KR 1020200060498A KR 20200060498 A KR20200060498 A KR 20200060498A KR 20210143564 A KR20210143564 A KR 20210143564A
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Abstract

The present invention provides a medium entropy alloy and a manufacturing method thereof. The medium entropy alloy according to one embodiment of the present invention comprises Al, Co, Cu, and Mn and satisfies the following equation 1. The equation 1 is, 2 <= ([Co]+[Cu])/([Al]+[Mn]) <= 15, where [X] represents an atomic percentage of X. The medium entropy alloy has excellent mechanical properties such as high hardness and high strength.

Description

중엔트로피 합금 및 이의 제조방법{MEDIUM ENTROPY ALLOYS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}MEDIUM ENTROPY ALLOYS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF

본 발명은 중엔트로피 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 다중 상(multiphase) 중엔트로피 합금(medium-entropy alloys, MEAs) 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 다중 상 형성으로 발생하는 상 계면(phase boundary) 강화를 활용함과 동시에 복합 고용체 형성을 통한 고용 강화 효과로 인해 우수한 상온 기계적 특성을 갖는 중엔트로피 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a mesoentropic alloy and a method for manufacturing the same. More specifically, it relates to multiphase medium-entropy alloys (MEAs) and a method for manufacturing the same, which utilizes phase boundary reinforcement caused by multiphase formation and simultaneously forms a complex solid solution. It relates to a medium entropy alloy having excellent room temperature mechanical properties due to the solid solution strengthening effect through the solution and a method for manufacturing the same.

고엔트로피 합금(high-entropy alloys, HEAs)은 주 원소(major element)와 기타 원소(minor element)들로 이루어진 기존의 합금들과는 달리, 다섯 가지 이상의 구성 원소를 동일한 혹은 비슷한 비율로 합금화하여 얻어지는 다원소 합금으로, 높은 혼합 엔트로피로 인해 금속간화합물이 형성되지 않고, 면심입방격자(face-centered cubic, FCC) 또는 체심입방격자(body-centered cubic, BCC)와 같은 단상 조직을 갖는 금속 소재이다.High-entropy alloys (HEAs) are polyelement obtained by alloying five or more constituent elements in the same or similar proportions, unlike conventional alloys consisting of a major element and other elements. As an alloy, an intermetallic compound is not formed due to high mixing entropy, and it is a metal material having a single-phase structure such as a face-centered cubic (FCC) or body-centered cubic (BCC).

고엔트로피 합금을 설계하는 데에 있어 중요한 두 가지 요소는 합금을 구성하는 원소들의 조성 비율, 합금계의 구성 엔트로피이다. Two important factors in designing a high-entropy alloy are the composition ratio of the elements constituting the alloy and the compositional entropy of the alloy system.

그 중, 첫 번째는 고엔트로피 합금의 조성 비율이다. 고엔트로피 합금은 최소 다섯 가지 이상의 원소들로 합금을 구성해야 하며, 각각의 합금 구성 원소의 조성 비율은 5 내지 35 at%로 정의된다. 또한, 고엔트로피 합금의 제조 시에 주요 합금 구성 원소 외에 다른 원소를 첨가할 경우, 그 첨가량은 5 at% 이하여야 한다.Among them, the first is the composition ratio of the high entropy alloy. A high-entropy alloy must consist of at least five elements or more, and the composition ratio of each alloying element is defined as 5 to 35 at%. In addition, when other elements are added in addition to the main alloy constituent elements during the manufacture of the high entropy alloy, the amount of addition should be 5 at% or less.

통상 합금은 하기 관계식 1에 의해 구해진 합금계의 구성 엔트로피(△Sconf)에 따라 고엔트로피 합금, 중엔트로피 합금(medium-entropy alloys, MEAs), 저엔트로피 합금(low-entropy alloys, LEAs)으로 나뉜다. [구성 엔트로피 ≥ 1.5·R]인 경우 고엔트로피 합금, [1.5·R > 구성 엔트로피 ≥ 1.0·R]인 경우 중엔트로피 합금으로 구분되며, 그 외 [1.0·R > 구성 엔트로피]인 합금은 저엔트로피 합금으로 구분된다.Generally, alloys are classified into high-entropy alloys, medium-entropy alloys (MEAs), and low-entropy alloys (LEAs) according to the constituent entropy (ΔS conf ) of the alloy system obtained by the following Relational Equation 1. If [constituent entropy ≥ 1.5 R], it is classified as a high entropy alloy, if [1.5 R > constituent entropy ≥ 1.0 R], it is classified as a medium entropy alloy. Other alloys with [1.0 R > constituent entropy] are a low entropy alloy is divided into

[관계식 1][Relational Expression 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

(R: 기체 상수(Gas constant), Xi: i 원소의 몰분율, n: 구성 원소의 수)(R: gas constant, X i : mole fraction of i element, n: number of constituent elements)

초기의 고엔트로피 및 중엔트로피 합금의 경우 단상 조직을 가지도록 설계되었으며, 그 중 가장 활발하게 연구되는 FCC 계 고엔트로피 합금의 경우 우수한 극저온 물성, 높은 파괴인성과 내식성을 가지기 때문에 극한환경에 적용할 수 있는 소재로 각광받고 있다. The initial high-entropy and medium-entropy alloys were designed to have a single-phase structure, and among them, the most actively studied FCC-based high-entropy alloys have excellent cryogenic properties, high fracture toughness and corrosion resistance, so they can be applied to extreme environments. It is gaining popularity as a material.

그러나 FCC 계 고엔트로피 합금은 높은 연신율에 비해 낮은 상온 항복강도 및 경도를 가져 상용화의 걸림돌이 되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 최근 두 개 이상의 상을 갖는 다상 고엔트로피 및 다상 중엔트로피 합금에 대해 연구가 이루어지고 있으나 구성 원소 간의 낮은 고용도로 인해 다양한 합금을 설계 및 개발하기 어려운 실정이다. However, FCC-based high-entropy alloys have low room temperature yield strength and hardness compared to high elongation, which is an obstacle to commercialization. In order to solve this problem, recent studies have been made on polyphase high-entropy and multi-phase medium-entropy alloys having two or more phases, but it is difficult to design and develop various alloys due to low solubility between constituent elements.

따라서, 산업화 영역을 확장하기 위해서는 개선된 기계적 특성을 갖는 다상 고엔트로피 및 다상 중엔트로피 합금을 개발함으로써 우수한 특성을 갖는 합금 데이터베이스 마련이 필수적이다.Therefore, in order to expand the industrial field, it is essential to prepare an alloy database having excellent properties by developing a multi-phase high-entropy and multi-phase medium-entropy alloy having improved mechanical properties.

본 발명은 중엔트로피 합금 및 이의 제조방법을 제공한다. 보다 구체적으로, 종래의 단상 고엔트로피 합금을 대신하여, Co-Cu 이성분계(binary system)의 혼화성 갭(miscibility gap)을 이용하여 합금을 Co-rich와 Cu-rich 영역으로 나눌 뿐만 아니라, Al, Mn의 양을 조절함으로써 Co-rich 영역에서 L21 상을 석출시켜 총 두 개 이상의 다중 상을 가지는 미세조직을 만들고, 상 계면 강화 효과를 극대화하여 상온에서 고경도 및 고강도를 지니는 우수한 기계적 물성의 중엔트로피 합금을 제공한다.The present invention provides a mesoentropic alloy and a method for manufacturing the same. More specifically, instead of the conventional single-phase high entropy alloy, the alloy is divided into Co-rich and Cu-rich regions by using the miscibility gap of the Co-Cu binary system, as well as Al , by controlling the amount of Mn, the L2 1 phase is precipitated in the Co-rich region to create a microstructure having a total of two or more multi-phases, and by maximizing the phase interface strengthening effect, excellent mechanical properties with high hardness and high strength at room temperature are obtained. It provides a medium entropy alloy.

본 발명의 일 실시예에 의한 중엔트로피 합금은, Al, Co, Cu, 및 Mn을 포함하고, 하기 식 1을 만족한다.The neutral entropy alloy according to an embodiment of the present invention includes Al, Co, Cu, and Mn, and satisfies Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

2 ≤ ([Co]+[Cu])/([Al]+[Mn]) ≤ 152 ≤ ([Co]+[Cu])/([Al]+[Mn]) ≤ 15

이때, [X]는 X의 원자%를 의미한다.In this case, [X] means atomic% of X.

본 발명의 일 실시예에 의한 중엔트로피 합금은, 원자%를 기준으로, Co에 대한 Cu의 비율은 0.8 내지 1.2이고, Al에 대한 Mn의 비율은 0.8 내지 1.2일 수 있다.In the mesoentropic alloy according to an embodiment of the present invention, based on atomic %, the ratio of Cu to Co may be 0.8 to 1.2, and the ratio of Mn to Al may be 0.8 to 1.2.

본 발명의 일 실시예에 의한 중엔트로피 합금은, 원자%로, Al: 2.5% 초과 20% 미만, Co: 30% 초과 47.5% 미만, Cu: 30% 초과 47.5% 미만, Mn: 2.5% 초과 20% 미만, 및 불가피한 불순물을 포함하는 것일 수 있다.The neutral entropy alloy according to an embodiment of the present invention, in atomic%, Al: more than 2.5% less than 20%, Co: more than 30% less than 47.5%, Cu: more than 30% less than 47.5%, Mn: more than 2.5% 20 %, and may contain unavoidable impurities.

본 발명의 일 실시예에 의한 중엔트로피 합금은, 합금은 삼중 상을 포함할 수 있다.In the mid-entropy alloy according to an embodiment of the present invention, the alloy may include a triple phase.

삼중 상은 Co를 주성분으로 하는 제1 상; Cu를 주성분으로 하는 제2 상; 및 Al, Co, Mn-rich한 제3 상;을 포함할 수 있다.The triple phase comprises a first phase mainly composed of Co; a second phase mainly composed of Cu; and a third phase rich in Al, Co, and Mn.

제1 상, 제2 상, 및 제3 상의 면적비율은, 22:36:42 내지 43:44:13일 수 있다.The area ratio of the first phase, the second phase, and the third phase may be 22:36:42 to 43:44:13.

제1 상은 Co-rich FCC 상이고, 제2 상은 Cu-rich FCC 상일 수 있다.The first phase may be a Co-rich FCC phase, and the second phase may be a Cu-rich FCC phase.

제3 상은 L21 석출상일 수 있다.The third phase may be an L2 1 precipitated phase.

제3 상은 원자%로, Co가 52% 이상일 수 있다.The third phase is atomic%, and Co may be 52% or more.

제3 상에서 Al, Co, 및 Mn의 함량비율은, 원자%를 기준으로, 1:1.5:1 내지 1:3:1일 수 있다.The content ratio of Al, Co, and Mn in the third phase may be 1:1.5:1 to 1:3:1 based on atomic%.

본 발명의 일 실시예에 의한 중엔트로피 합금은, 상온(298K)에서 항복강도가 350 MPa 이상이고, 인장강도가 600 MPa 이상이고, 연신율이 7 % 이상일 수 있다.The mid-entropy alloy according to an embodiment of the present invention may have a yield strength of 350 MPa or more at room temperature (298K), a tensile strength of 600 MPa or more, and an elongation of 7% or more.

본 발명의 일 실시예에 의한 중엔트로피 합금은, 비커스 경도가 170 kgf/mm2 이상일 수 있다.The middle entropy alloy according to an embodiment of the present invention may have a Vickers hardness of 170 kgf/mm 2 or more.

본 발명의 일 실시예에 의한 중엔트로피 합금 제조방법은, Al, Co, Cu, 및 Mn을 포함하고, 하기 식 1을 만족하는 혼합 분말을 주조하여 잉곳을 제조하는 단계; 잉곳을 급냉하는 단계; 및 급냉한 잉곳을 균질화 열처리하는 단계;를 포함한다.A method for manufacturing a mid-entropy alloy according to an embodiment of the present invention comprises the steps of: manufacturing an ingot by casting a mixed powder containing Al, Co, Cu, and Mn, satisfying the following Equation 1; quenching the ingot; and homogenizing heat treatment of the quenched ingot.

[식 1][Equation 1]

2 ≤ ([Co]+[Cu])/([Al]+[Mn]) ≤ 152 ≤ ([Co]+[Cu])/([Al]+[Mn]) ≤ 15

이때, [X]는 X의 원자%를 의미한다.In this case, [X] means atomic% of X.

혼합 분말을 주조하여 잉곳을 제조하는 단계에서, 열처리 온도는 1400 내지 1700 ℃일 수 있다.In the step of manufacturing the ingot by casting the mixed powder, the heat treatment temperature may be 1400 to 1700 ℃.

급냉한 잉곳을 균질화 열처리하는 단계에서, 열처리 온도는 600 내지 900 ℃이고, 열처리 시간은 10 내지 14 시간인 것일 수 있다.In the homogenization heat treatment of the quenched ingot, the heat treatment temperature may be 600 to 900 °C, and the heat treatment time may be 10 to 14 hours.

본 발명의 일 실시예에 의한 중엔트로피 합금은 상온에서 183 kgf/mm2 이상의 비커스 경도를 가질 수 있다. 또한 Al, Mn의 함량에 따라 항복강도 376 내지 546 MPa 및 연신율 9 내지 36%의 우수한 기계적 특성의 조합을 얻어 기존의 단상으로 이루어진 고엔트로피 합금의 낮은 항복강도를 보완할 수 있다.The medium entropy alloy according to an embodiment of the present invention may have a Vickers hardness of 183 kgf/mm 2 or more at room temperature. In addition, depending on the content of Al and Mn, a combination of excellent mechanical properties of yield strength of 376 to 546 MPa and elongation of 9 to 36% can be obtained, thereby supplementing the low yield strength of the existing single-phase high-entropy alloy.

본 발명의 일 실시예에 의한 중엔트로피 합금은, Co-rich FCC 상, Cu-rich FCC 상, L21 상의 삼중 상을 형성하여 고용체 효과뿐만 아니라 상 계면 강화 효과가 발생하여, 더 향상된 상온 기계적 특성을 얻을 수 있다.The medium entropy alloy according to an embodiment of the present invention forms a triple phase of the Co-rich FCC phase, Cu-rich FCC phase, and L2 1 phase to generate a solid solution effect as well as a phase interface strengthening effect, resulting in improved room temperature mechanical properties can get

본 발명의 일 실시예에 의한 중엔트로피 합금은 고용 강화, 다중 상 형성에 따른 상 계면 강화로 상온에서 우수한 경도 및 강도를 가져 기계적 특성이 우수할 수 있다.The medium entropy alloy according to an embodiment of the present invention may have excellent hardness and strength at room temperature due to solid solution strengthening and phase interface strengthening according to multi-phase formation, thereby having excellent mechanical properties.

도 1은 본 발명의 비교예 1 및 2, 실시예 1 및 2의 Al-Co-Cu-Mn계 중엔트로피 합금의 X-ray diffraction (XRD) 결과를 나타낸 것이다.
도 2a는 본 발명의 비교예 1 의 Al-Co-Cu-Mn계 중엔트로피 합금의 미세조직을 Scanning Electron Microscopy (SEM)로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 2b는 본 발명의 실시예 1 의 Al-Co-Cu-Mn계 중엔트로피 합금의 미세조직을 Scanning Electron Microscopy (SEM)로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 2c는 본 발명의 실시예 2 의 Al-Co-Cu-Mn계 중엔트로피 합금의 미세조직을 Scanning Electron Microscopy (SEM)로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 2d는 본 발명의 비교예 2의 Al-Co-Cu-Mn계 중엔트로피 합금의 미세조직을 Scanning Electron Microscopy (SEM)로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 3a는 본 발명의 비교예 1 의 Al-Co-Cu-Mn계 중엔트로피 합금의 미세조직을 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS)로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 3b는 본 발명의 실시예 1 의 Al-Co-Cu-Mn계 중엔트로피 합금의 미세조직을 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS)로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 3c는 본 발명의 실시예 2의 의 Al-Co-Cu-Mn계 중엔트로피 합금의 미세조직을 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS)로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 3d는 본 발명의 비교예 2의 Al-Co-Cu-Mn계 중엔트로피 합금의 미세조직을 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS)로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1 및 2, 실시예 1 및 2의 Al-Co-Cu-Mn계 중엔트로피 합금의 상온(298K) 인장시험 결과를 나타낸 것이다.
1 shows the X-ray diffraction (XRD) results of the Al-Co-Cu-Mn-based medium entropy alloy of Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2 of the present invention.
Figure 2a shows the result of analyzing the microstructure of the Al-Co-Cu-Mn-based medium entropy alloy of Comparative Example 1 of the present invention by Scanning Electron Microscopy (SEM).
Figure 2b shows the result of analyzing the microstructure of the Al-Co-Cu-Mn-based medium entropy alloy of Example 1 of the present invention by Scanning Electron Microscopy (SEM).
Figure 2c shows the result of analyzing the microstructure of the Al-Co-Cu-Mn-based medium entropy alloy of Example 2 of the present invention by Scanning Electron Microscopy (SEM).
Figure 2d shows the results of analyzing the microstructure of the Al-Co-Cu-Mn-based medium entropy alloy of Comparative Example 2 of the present invention by Scanning Electron Microscopy (SEM).
Figure 3a shows the result of analyzing the microstructure of the Al-Co-Cu-Mn-based medium entropy alloy of Comparative Example 1 of the present invention by Energy Dispersive Spectroscopy (EDS).
Figure 3b shows the result of analyzing the microstructure of the Al-Co-Cu-Mn-based medium entropy alloy of Example 1 of the present invention by Energy Dispersive Spectroscopy (EDS).
Figure 3c shows the results of analyzing the microstructure of the Al-Co-Cu-Mn-based medium entropy alloy of Example 2 of the present invention by Energy Dispersive Spectroscopy (EDS).
Figure 3d shows the results of analyzing the microstructure of the Al-Co-Cu-Mn-based medium entropy alloy of Comparative Example 2 of the present invention by Energy Dispersive Spectroscopy (EDS).
4 shows the results of a room temperature (298K) tensile test of the Al-Co-Cu-Mn-based medium entropy alloy of Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2 of the present invention.

본 명세서에서, 제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.In this specification, terms such as first, second and third are used to describe, but are not limited to, various parts, components, regions, layers and/or sections. These terms are used only to distinguish one part, component, region, layer or section from another part, component, region, layer or section. Accordingly, a first part, component, region, layer or section described below may be referred to as a second part, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention.

본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated.

본 명세서에서, 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.In this specification, the terminology used is for the purpose of referring to specific embodiments only, and is not intended to limit the present invention. As used herein, the singular forms also include the plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. The meaning of "comprising," as used herein, specifies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element and/or component, and includes the presence or absence of another characteristic, region, integer, step, operation, element and/or component. It does not exclude additions.

본 명세서에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.In the present specification, the term "combination of these" included in the expression of the Markush form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expression of the Markush form, and the components It means to include one or more selected from the group consisting of.

본 명세서에서, 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.In this specification, when a part is referred to as being “on” or “on” another part, it may be directly on or on the other part, or the other part may be accompanied in between. In contrast, when a part refers to being "directly above" another part, the other part is not interposed therebetween.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined otherwise, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Commonly used terms defined in the dictionary are additionally interpreted as having a meaning consistent with the related art literature and the presently disclosed content, and unless defined, are not interpreted in an ideal or very formal meaning.

또한, 특별히 언급하지 않는 한 %는 중량%를 의미하며, 1ppm 은 0.0001중량%이다.In addition, unless otherwise specified, % means weight %, and 1 ppm is 0.0001 weight %.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명자들은 종래의 FCC 계열 고엔트로피 합금의 낮은 항복강도를 보완하기 위하여 연구하였다. 그 결과, 다중 상을 지니는 중엔트로피 합금을 설계하였으며 합금이 가지는 높은 경도, 항복강도 및 인장강도의 우수한 상온 기계적 특성은 본 합금이 가지는 세 가지 특성에 의해서 나타날 수 있다. (1) Al, Mn의 고용으로 인한 고용 강화, (2) Co-Cu의 immiscibility로 인해 Co-rich와 Cu-rich 상으로 분리됨에 따른 상 계면 강화, (3) Al, Mn의 첨가로 인한 L21 상의 석출 강화.The present inventors studied to supplement the low yield strength of the conventional FCC series high entropy alloy. As a result, a medium entropy alloy having multiple phases was designed, and the excellent room temperature mechanical properties of high hardness, yield strength and tensile strength of the alloy can be expressed by the three properties of this alloy. (1) solid solution strengthening due to solid solution of Al and Mn, (2) phase interface strengthening due to separation into Co-rich and Cu-rich phases due to immiscibility of Co-Cu, (3) L2 due to addition of Al and Mn Precipitation strengthening of phase 1.

중엔트로피 합금mesoentropic alloy

본 발명의 일 실시예에 의한 중엔트로피 합금은, Al, Co, Cu, 및 Mn을 포함하고, 하기 식 1을 만족한다.The neutral entropy alloy according to an embodiment of the present invention includes Al, Co, Cu, and Mn, and satisfies Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

2 ≤ ([Co]+[Cu])/([Al]+[Mn]) ≤ 152 ≤ ([Co]+[Cu])/([Al]+[Mn]) ≤ 15

이때, [X]는 X의 원자%를 의미한다.In this case, [X] means atomic% of X.

또한, 원자%를 기준으로, Co에 대한 Cu의 비율은 0.8 내지 1.2이고, Al에 대한 Mn의 비율은 0.8 내지 1.2일 수 있다.In addition, based on atomic %, the ratio of Cu to Co may be 0.8 to 1.2, and the ratio of Mn to Al may be 0.8 to 1.2.

또한, 원자%로, Al: 2.5% 초과 20% 미만, Co: 30% 초과 47.5% 미만, Cu: 30% 초과 47.5% 미만, Mn: 2.5% 초과 20% 미만, 및 불가피한 불순물을 포함하는 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 원자%로, Al: 10 내지 15%, Co: 35 내지 40%, Cu: 35 내지 40%, Mn: 10 내지 15%, 및 불가피한 불순물을 포함하는 것일 수 있다.In addition, in atomic%, Al: more than 2.5% and less than 20%, Co: more than 30% less than 47.5%, Cu: more than 30% and less than 47.5%, Mn: more than 2.5% and less than 20%, and unavoidable impurities. have. More specifically, in atomic%, Al: 10 to 15%, Co: 35 to 40%, Cu: 35 to 40%, Mn: 10 to 15%, and unavoidable impurities may be included.

상기 합금은 삼중 상을 포함할 수 있다.The alloy may include a triple phase.

상기 삼중 상은 Co를 주성분으로 하는 제1 상; Cu를 주성분으로 하는 제2 상; 및 Al, Co, Mn-rich한 제3 상;을 포함하는 것일 수 있다.The triple phase may include a first phase containing Co as a main component; a second phase mainly composed of Cu; and a third phase rich in Al, Co, and Mn.

상기 제1 상, 제2 상, 및 제3 상의 면적비율은, 22:36:42 내지 43:44:13 일 수 있다.The area ratio of the first phase, the second phase, and the third phase may be 22:36:42 to 43:44:13.

제1 상은 Co-rich FCC 상이고, 제2 상은 Cu-rich FCC 상일 수 있다.The first phase may be a Co-rich FCC phase, and the second phase may be a Cu-rich FCC phase.

제3 상은 L21 석출상일 수 있다.The third phase may be an L2 1 precipitated phase.

제3 상은 원자%로, Co가 52% 이상일 수 있다. 보다 구체적으로 53% 이상일 수 있다. 더욱 구체적으로 53% 내지 60% 일 수 있다.The third phase is atomic%, and Co may be 52% or more. More specifically, it may be 53% or more. More specifically, it may be 53% to 60%.

제3 상에서 Al, Co, 및 Mn의 함량비율은, 원자%를 기준으로, 1:1.5:1 내지 1:3:1 일 수 있다. 보다 구체적으로, 1:1.5:1 내지 2:4:1 일 수 있다. 더욱 구체적으로, 1:1.5:1 내지 1:2:1 일 수 있다.The content ratio of Al, Co, and Mn in the third phase may be 1:1.5:1 to 1:3:1 based on atomic%. More specifically, it may be 1:1.5:1 to 2:4:1. More specifically, it may be 1:1.5:1 to 1:2:1.

상기 합금은 상온(298K)에서 항복강도가 350 MPa 이상이고, 인장강도가 600 MPa 이상이고, 연신율이 7% 이상일 수 있다. 보다 구체적으로, 항복강도가 350 내지 550 MPa이고, 인장강도가 600 내지 800 MPa이고, 연신율이 7 내지 45 %일 수 있다. 더욱 구체적으로, 항복강도는 376 내지 546 MPa일 수 있고, 인장강도는 611 내지 761 MPa일 수 있고, 연신율이 9 내지 36 %일 수 있다.The alloy may have a yield strength of 350 MPa or more at room temperature (298K), a tensile strength of 600 MPa or more, and an elongation of 7% or more. More specifically, the yield strength may be 350 to 550 MPa, the tensile strength may be 600 to 800 MPa, and the elongation may be 7 to 45%. More specifically, the yield strength may be 376 to 546 MPa, the tensile strength may be 611 to 761 MPa, and the elongation may be 9 to 36%.

상기 합금은 비커스 경도가 170 kgf/mm2 이상일 수 있다. 보다 구체적으로 183 kgf/mm2 이상일 수 있다. 더욱 구체적으로 184 내지 250 kgf/mm2 일 수 있다.The alloy may have a Vickers hardness of 170 kgf/mm 2 or more. More specifically, it may be 183 kgf/mm 2 or more. More specifically, it may be 184 to 250 kgf/mm 2 .

하기에서는 각 성분 원소들의 함량, 상기 식 1의 범위, 원자간 비율을 한정한 이유를 살펴본다.Hereinafter, the reason for limiting the content of each component element, the range of Equation 1, and the interatomic ratio will be described.

Al: 2.5 원자% 초과 20 원자% 미만Al: more than 2.5 atomic % and less than 20 atomic %

알루미늄(Al)은 적절히 첨가될 경우 Co-rich 영역은 FCC 상 내에 L21 상을 석출시킨다. 그러나 알루미늄(Al)이 너무 적게 첨가될 경우 Co-rich 영역은 FCC 단상을 형성하며, 반대로 너무 많이 첨가될 경우 L21 상이 안정화되어 Co-rich 영역이 L21 단상을 형성할 수 있다. 따라서 다중 상 형성을 통한 계면 강화를 위해서 상기 범위로 첨가할 수 있다. 보다 구체적으로, 3 내지 17 원자%를 첨가할 수 있다. 더욱 구체적으로, 5 내지 16 원자%를 첨가할 수 있다. 더욱 구체적으로 10 내지 15 원자%를 첨가할 수 있다.When aluminum (Al) is added appropriately, the Co-rich region precipitates the L2 1 phase in the FCC phase. However, when aluminum (Al) is added too little, the Co-rich region forms an FCC single phase. Conversely, when too much aluminum (Al) is added, the L2 1 phase is stabilized and the Co-rich region can form an L2 1 single phase. Therefore, it can be added within the above range for interfacial strengthening through multi-phase formation. More specifically, 3 to 17 atomic % may be added. More specifically, 5 to 16 atomic % may be added. More specifically, 10 to 15 atomic % may be added.

Mn: 2.5 원자% 초과 20 원자% 미만Mn: greater than 2.5 atomic % and less than 20 atomic %

망간(Mn)은 고용 강화 효과를 극대화하기 위해 적절히 많이 첨가하는 것이 바람직하나 너무 많이 첨가할 경우 고용되지 못하고 Mn 상이 석출될 수 있다. 보다 구체적으로, 3 내지 17 원자%를 첨가할 수 있다. 더욱 구체적으로, 5 내지 16 원자%를 첨가할 수 있다. 더욱 구체적으로 10 내지 15 원자%를 첨가할 수 있다.Manganese (Mn) is preferably added in an appropriate amount in order to maximize the solid solution strengthening effect, but if too much is added, it may not be dissolved in solution and Mn phase may be precipitated. More specifically, 3 to 17 atomic % may be added. More specifically, 5 to 16 atomic % may be added. More specifically, 10 to 15 atomic % may be added.

이때, 알루미늄(Al)과 망간(Mn)은, 원자%를 기준으로, Al에 대한 Mn의 비율은 0.8 내지 1.2일 수 있다. 이는, 코발트, 알루미늄, 망간이 형성할 제3 상에서 한 격자 구조 내 원자 비율이 각각 2:1:1로 예상되어 안정적으로 제3 상을 형성하기 위함이다. 즉, Mn과 Al을 동분율에 가깝게 첨가할 수 있다. 보다 구체적으로, 그 비율은 1일 수 있다.In this case, for aluminum (Al) and manganese (Mn), the ratio of Mn to Al may be 0.8 to 1.2, based on atomic %. This is to stably form the third phase because the atomic ratio in one lattice structure is expected to be 2:1:1 in the third phase to be formed by cobalt, aluminum, and manganese. That is, Mn and Al can be added in an equal proportion. More specifically, the ratio may be 1.

Co: 30 원자% 초과 47.5 원자% 미만Co: More than 30 atomic% and less than 47.5 atomic%

코발트(Co)는 너무 적게 첨가할 경우, 상대적으로 높아지는 Mn의 함량에 의해 금속간화합물 β-Mn 상이 안정화될 수 있다. 반대로 너무 많이 첨가할 경우, 고용 강화 효과가 낮아지고 제3 상이 석출되지 않아 석출 강화 효과도 낮아지는 단점이 있다. 또한, 합금 가격이 상승하고 합금 밀도가 높아져 비강도가 낮아지는 단점도 발생한다. 보다 구체적으로 32 내지 45 원자%를 첨가할 수 있다. 더욱 구체적으로 35 내지 40 원자%를 첨가할 수 있다.When too little cobalt (Co) is added, the intermetallic compound β-Mn phase may be stabilized by the relatively high content of Mn. Conversely, when too much is added, the solid solution strengthening effect is lowered and the third phase is not precipitated, so that the precipitation strengthening effect is also lowered. In addition, there are also disadvantages in that the alloy price increases and the alloy density increases to lower the specific strength. More specifically, 32 to 45 atomic % may be added. More specifically, 35 to 40 atomic % may be added.

Cu: 30 원자% 초과 47.5 원자% 미만Cu: more than 30 atomic % and less than 47.5 atomic %

구리(Cu)는 너무 적게 첨가할 경우, 상대적으로 높아지는 Mn의 함량에 의해 금속간화합물 β-Mn 상이 안정화될 수 있다. 반대로 너무 많이 첨가할 경우, 고용 강화 효과가 낮아지는 단점이 있다. 보다 구체적으로 32 내지 45 원자%를 첨가할 수 있다. 더욱 구체적으로 35 내지 40 원자%를 첨가할 수 있다.When copper (Cu) is added too little, the intermetallic β-Mn phase may be stabilized due to the relatively high content of Mn. Conversely, when too much is added, there is a disadvantage in that the solid solution strengthening effect is lowered. More specifically, 32 to 45 atomic % may be added. More specifically, 35 to 40 atomic % may be added.

이때, 코발트(Co)와 구리(Cu)는, 원자%를 기준으로, Co에 대한 Cu의 비율은 0.8 내지 1.2일 수 있다. 동분율에 가깝게 첨가하여 Co-rich와 Cu-rich 상간의 계면 강화 효과를 극대화하기 위함이다. 즉, Co와 Cu를 동분율에 가깝게 첨가할 수 있다. 보다 구체적으로, 그 비율은 1일 수 있다.In this case, in the case of cobalt (Co) and copper (Cu), the ratio of Cu to Co may be 0.8 to 1.2 based on atomic %. This is to maximize the interfacial strengthening effect between the Co-rich and Cu-rich phases by adding close to the same fraction. That is, Co and Cu can be added in an equal proportion. More specifically, the ratio may be 1.

기타 불가피한 불순물이 포함될 수 있다. 기타 불가피한 불순물은 상기 합금원소 이외의 성분으로, 원료 또는 제조과정에 불가피하게 혼입되는 불가피한 성분이다.Other unavoidable impurities may be included. Other unavoidable impurities are components other than the above alloying elements, and are unavoidable components that are unavoidably incorporated into raw materials or manufacturing processes.

[식 1] 2 ≤ ([Co]+[Cu])/([Al]+[Mn]) ≤ 15[Equation 1] 2 ≤ ([Co]+[Cu])/([Al]+[Mn]) ≤ 15

고용 강화, 상 계면 강화, 석출 강화를 최대화하기 위하여 합금 내 원자의 함량은 상기와 같이 한다. 원자%를 기준으로, Mn 및 Al의 합의 양 대비 Co 및 Cu의 합의 양의 비율이 너무 적을 경우 고용 강화가 낮아질 뿐 아니라 제3 상이 석출되지 않아 석출 강화가 일어나지 않고, 합금의 가격이 상승하고 밀도가 높아져 비강도가 감소하는 단점이 있다(비교예 2의 경우). 반대로, 그 비율이 너무 클 경우 Al, Mn이 금속간 화합물을 형성하거나, Co-rich 상이 파괴에 취약한 L21 단상을 형성하여 연신율이 감소하는 단점이 있다(비교예 1의 경우). 보다 구체적으로, 그 비율은 2 이상 14 이하일 수 있다. 더욱 구체적으로, 그 비율은 2 이상 10 이하일 수 있다. 더욱 구체적으로, 그 비율은 2 이상 4.5 이하일 수 있다.In order to maximize solid solution strengthening, phase interface strengthening, and precipitation strengthening, the content of atoms in the alloy is as described above. When the ratio of the amount of the sum of Co and Cu to the amount of the sum of Mn and Al is too small based on atomic percent, not only solid solution strengthening is lowered, but also precipitation strengthening does not occur because the third phase does not precipitate, the price of the alloy increases, and the density There is a disadvantage in that the specific strength decreases due to the increase (in the case of Comparative Example 2). Conversely, when the ratio is too large, Al and Mn form an intermetallic compound, or the Co-rich phase forms an L2 1 single phase that is vulnerable to fracture, thereby reducing elongation (in the case of Comparative Example 1). More specifically, the ratio may be 2 or more and 14 or less. More specifically, the ratio may be 2 or more and 10 or less. More specifically, the ratio may be 2 or more and 4.5 or less.

하기에서는 본 발명의 일 실시예에 의한 중엔트로피 합금의 미세조직을 살펴본다. Hereinafter, the microstructure of the mid-entropy alloy according to an embodiment of the present invention will be described.

본 발명의 일 실시예에 의한 중엔트로피 합금은 다중 상을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 삼중 상을 포함할 수 있다.The mid-entropy alloy according to an embodiment of the present invention may include multiple phases. More specifically, it may include a triple phase.

삼중 상은 Co를 주성분으로 하는 제1 상; Cu를 주성분으로 하는 제2 상; 및 Al, Co, Mn-rich한 제3 상;을 포함할 수 있다. The triple phase comprises a first phase mainly composed of Co; a second phase mainly composed of Cu; and a third phase rich in Al, Co, and Mn.

이때, 제1 상은 Co-rich FCC 상일 수 있으며, 제2 상은 Cu-rich FCC 상일 수 있다. Co-rich FCC 상과 Cu-rich FCC 상은 miscibility gap에 의해 분리될 수 있다. 또한 Co-rich FCC 상과 Cu-rich FCC 상의 계면에 의해 중엔트로피 합금의 계면 강화 효과가 극대화될 수 있다. In this case, the first phase may be a Co-rich FCC phase, and the second phase may be a Cu-rich FCC phase. The co-rich FCC phase and the Cu-rich FCC phase can be separated by a miscibility gap. In addition, the interfacial strengthening effect of the mid-entropy alloy can be maximized by the interface between the Co-rich FCC phase and the Cu-rich FCC phase.

한편, 제1 상은 원자%로, Al: 4 내지 8%, Co: 50 내지 70%, Cu: 15 내지 20%, Mn: 10 내지 25%, 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, Al: 5 내지 7%, Co: 52 내지 65%, Cu: 16 내지 19%, Mn: 12 내지 22%, 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.Meanwhile, the first phase may include, in atomic%, Al: 4 to 8%, Co: 50 to 70%, Cu: 15 to 20%, Mn: 10 to 25%, and unavoidable impurities. More specifically, Al: 5 to 7%, Co: 52 to 65%, Cu: 16 to 19%, Mn: 12 to 22%, and unavoidable impurities may be included.

한편, 제2 상은 원자%로, Al: 2 내지 5%, Co: 5 내지 20%, Cu: 60 내지 85%, Mn: 5 내지 15%, 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, Al: 3 내지 4%, Co: 8 내지 15%, Cu: 67 내지 80%, Mn: 7 내지 14%, 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.Meanwhile, the second phase may include, in atomic%, Al: 2 to 5%, Co: 5 to 20%, Cu: 60 to 85%, Mn: 5 to 15%, and unavoidable impurities. More specifically, Al: 3 to 4%, Co: 8 to 15%, Cu: 67 to 80%, Mn: 7 to 14%, and unavoidable impurities may be included.

한편, 제3 상은 L21 석출상일 수 있으며, Al, Co, Mn이 rich할 수 있다. 이때, 제3 상에서의 Co 함량은, 52 원자% 이상일 수 있다. 보다 구체적으로 53 원자% 이상일 수 있다. 더욱 구체적으로 53 원자% 내지 60 원자% 일 수 있다.Meanwhile, the third phase may be an L2 1 precipitation phase, and may be rich in Al, Co, and Mn. In this case, the content of Co in the third phase may be 52 atomic% or more. More specifically, it may be 53 atomic% or more. More specifically, it may be 53 atomic% to 60 atomic%.

한편, 제3 상은 원자%로, Al: 10 내지 30%, Co: 45 내지 65%, Cu: 2 내지 7%, Mn: 10 내지 30%, 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, Al: 20 내지 27%, Co: 50 내지 60%, Cu: 3 내지 6%, Mn: 12 내지 20%, 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.Meanwhile, the third phase, in atomic%, may include Al: 10 to 30%, Co: 45 to 65%, Cu: 2 to 7%, Mn: 10 to 30%, and unavoidable impurities. More specifically, Al: 20 to 27%, Co: 50 to 60%, Cu: 3 to 6%, Mn: 12 to 20%, and unavoidable impurities may be included.

한편, 제3 상에서 Al, Co, 및 Mn의 함량비율은, 원자%를 기준으로, 1:1.5:1 내지 1:3:1 일 수 있다. 보다 구체적으로, 1:1.5:1 내지 2:4:1 일 수 있다. 더욱 구체적으로, 1:1.5:1 내지 1:2:1 일 수 있다.Meanwhile, the content ratio of Al, Co, and Mn in the third phase may be 1:1.5:1 to 1:3:1 based on atomic%. More specifically, it may be 1:1.5:1 to 2:4:1. More specifically, it may be 1:1.5:1 to 1:2:1.

한편, 제1 상, 제2 상, 및 제3 상의 면적비율은, 22:36:42 내지 43:44:13 일 수 있다.Meanwhile, the area ratio of the first phase, the second phase, and the third phase may be 22:36:42 to 43:44:13.

중엔트로피 합금 제조방법Medium entropy alloy manufacturing method

본 발명의 일 실시예에 의한 중엔트로피 합금 제조방법은 Al, Co, Cu, 및 Mn을 포함하고, 하기 식 1을 만족하는 혼합 분말을 주조하여 잉곳을 제조하는 단계; 잉곳을 급냉하는 단계; 및 급냉한 잉곳을 균질화 열처리하는 단계;를 포함한다.A method for manufacturing a mid-entropy alloy according to an embodiment of the present invention comprises the steps of: manufacturing an ingot by casting a mixed powder containing Al, Co, Cu, and Mn, satisfying the following Equation 1; quenching the ingot; and homogenizing heat treatment of the quenched ingot.

[식 1][Equation 1]

2 ≤ ([Co]+[Cu])/([Al]+[Mn]) ≤ 152 ≤ ([Co]+[Cu])/([Al]+[Mn]) ≤ 15

이때, [X]는 X의 원자%를 의미한다.In this case, [X] means atomic% of X.

혼합 분말을 구성하는 각 성분의 함량, 식 1 한정 이유는 상기한 중엔트로피 합금에 대한 설명과 중복되므로 생략한다.The content of each component constituting the mixed powder and the reason for limiting Equation 1 are omitted because they overlap with the description of the above-described central entropy alloy.

먼저, 혼합 분말을 도가니에 장입한 후 가열하여 용해하고 주형에 부어 잉곳을 주조하였다. 이때 가열되는 온도는 1400 내지 1700 ℃일 수 있다. 가열 온도가 너무 낮을 경우에는 원소가 충분히 녹지 않아 균일한 조성의 잉곳을 얻지 못할 수 있다. 반면, 너무 높을 경우에는 Mn이 증발하여 Mn 함량이 낮아질 단점이 있다. 다음으로, 잉곳을 급냉한다. 상온으로 급냉할 수 있다. 냉각 방법 및 냉각 속도는 특별히 제한하지 않는다. First, the mixed powder was charged into a crucible, melted by heating, and poured into a mold to cast an ingot. In this case, the heating temperature may be 1400 to 1700 °C. If the heating temperature is too low, the element may not be sufficiently melted and thus an ingot having a uniform composition may not be obtained. On the other hand, when it is too high, there is a disadvantage that Mn evaporates and the Mn content is lowered. Next, the ingot is quenched. It can be rapidly cooled to room temperature. The cooling method and cooling rate are not particularly limited.

다음으로, 급냉한 잉곳을 균질화 열처리한다. 균질화 열처리는 잉곳의 미세조직이 균질화 및 고용화되도록 열처리한다. 이때 열처리 온도는 600 내지 900 ℃ 일 수 있다. 열처리 온도가 너무 낮을 경우에는 균질화 열처리 단계에서, 미세조직의 균질화 효과가 충분하지 않을 수 있다. 반면 균질화 열처리 온도가 너무 높을 경우에는 열처리 비용이 과다해질 수 있고 부분적으로 용해가 일어날 수 있다. 또한, 열처리 시간은 10시간 내지 14시간일 수 있다. 열처리 시간이 너무 짧을 경우에는 마찬가지로 미세조직의 균질화 효과가 충분하지 않을 수 있다. 반면, 열처리 시간이 너무 길 경우에는 열처리 비용이 과다해질 수 있다. Next, the homogenization heat treatment of the quenched ingot is performed. Homogenization heat treatment is heat treatment so that the microstructure of the ingot is homogenized and dissolved. In this case, the heat treatment temperature may be 600 to 900 °C. If the heat treatment temperature is too low, the homogenization effect of the microstructure may not be sufficient in the homogenization heat treatment step. On the other hand, if the homogenization heat treatment temperature is too high, heat treatment cost may become excessive and partial dissolution may occur. In addition, the heat treatment time may be 10 hours to 14 hours. If the heat treatment time is too short, the effect of homogenizing the microstructure may not be sufficient. On the other hand, if the heat treatment time is too long, the heat treatment cost may become excessive.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto.

[제조예][Production Example]

실시예 1 및 실시예 2Examples 1 and 2

중엔트로피 합금의 제조Preparation of mesoentropic alloys

먼저, 순도 99.9% 이상의 Al, Co, Cu, Mn 금속을 준비하였다.First, Al, Co, Cu, Mn metals having a purity of 99.9% or more were prepared.

이와 같이 준비한 금속을 하기 표 1과 같은 혼합 비율이 되도록 칭량하였다. 또한, 합금의 구분을 위해 Al의 함량에 따라 2.5Al, 10Al, 15Al, 20Al으로 명명하였다. The metal prepared in this way was weighed so as to have a mixing ratio as shown in Table 1 below. In addition, for classification of alloys, they were named as 2.5Al, 10Al, 15Al, and 20Al according to the Al content.

하기 표 1은 합금 원소 조성 비율을 나타낸 것이다. Table 1 below shows the alloy element composition ratio.

  원료 혼합 비율(at%)Raw material mixing ratio (at%) AlAl CoCo CuCu MnMn (Co+Cu)/(Al+Mn)(Co+Cu)/(Al+Mn) 10Al
(실시예 1)
10Al
(Example 1)
10.0010.00 40.0040.00 40.0040.00 10.0010.00 44
15Al
(실시예 2)
15Al
(Example 2)
15.0015.00 35.0035.00 35.0035.00 15.0015.00 2.332.33

이상과 같은 비율로 준비된 원료 금속을 도가니에 장입한 후, 1550℃로 가열하여 용해하고, 주형을 사용하여 두께 7.8 mm, 폭 33 mm, 길이 40 mm의 직육면체 형상을 갖는 100 g의 합금 잉곳(ingot)을 주조하였다.After the raw metal prepared in the above ratio is charged into the crucible, it is melted by heating to 1550 ° C. Using a mold, an alloy ingot of 100 g having a cuboid shape with a thickness of 7.8 mm, a width of 33 mm, and a length of 40 mm. ) was cast.

주조 직후 급냉(quenching)한 잉곳을 800℃의 온도에서 12시간 동안 균질화(homogenization)를 실시한 후 다시 상온으로 급냉하였다.Immediately after casting, the quenched ingot was subjected to homogenization at a temperature of 800° C. for 12 hours, and then rapidly cooled to room temperature again.

비교예 1 및 비교예 2Comparative Example 1 and Comparative Example 2

저엔트로피 합금의 제조Preparation of low-entropy alloys

실시예 1과 동일한 방법으로 하기 표 2의 조성에 준하여 비교예를 위한 합금을 제조하였다. An alloy for Comparative Example was prepared according to the composition of Table 2 below in the same manner as in Example 1.

  원료 혼합 비율(at%)Raw material mixing ratio (at%) AlAl CoCo CuCu MnMn (Co+Cu)/(Al+Mn)(Co+Cu)/(Al+Mn) 2.5Al
(비교예 1)
2.5Al
(Comparative Example 1)
2.502.50 47.5047.50 47.5047.50 2.502.50 1919
20Al
(비교예 2)
20Al
(Comparative Example 2)
20.0020.00 30.0030.00 30.0030.00 20.0020.00 1.51.5

실시예 1과 동일한 방법으로 합금 잉곳을 주조하였고, 실시예 1과 동일한 방법으로 800℃의 온도에서 12시간 동안 고용화 열처리를 실시한 후 상온(298K)으로 급냉하였다.An alloy ingot was cast in the same manner as in Example 1, and solution heat treatment was performed at a temperature of 800° C. for 12 hours in the same manner as in Example 1, followed by rapid cooling to room temperature (298K).

[결과][result]

초기 미세조직 분석Initial microstructure analysis

도 1은 제조한 비교예, 실시예 합금의 X-ray diffraction 결과를 나타낸 것이다. 1 shows the results of X-ray diffraction of the prepared comparative example, the example alloy.

도 1의 XRD 측정 결과에서는 Al, Mn의 양이 증가할수록, Co-rich FCC 상 및 Cu-rich FCC 상의 이중 상에서 Co-rich FCC 상, Cu-rich FCC 상 및 L21 상의 삼중 상으로, 또다시 Cu-rich FCC 및 L21 상의 이중 상으로 상의 구성이 변화하는 것을 확인할 수 있다. In the XRD measurement result of FIG. 1, as the amount of Al and Mn increased, the double phase of the Co-rich FCC phase and the Cu-rich FCC phase changed to a triple phase of the Co-rich FCC phase, Cu-rich FCC phase, and L2 1 phase, again It can be seen that the configuration of the phase changes to the double phase of Cu-rich FCC and L2 1 phase.

또한, 도 2a에서는 비교예 1, 도 2b에서는 실시예 1, 도 2c에서는 실시예 2, 도 2d에서는 비교예 2의 Al-Co-Cu-Mn계 중엔트로피 합금의 미세조직을 Scanning Electron Microscopy (SEM)로 분석한 결과를 나타내었다.In addition, in FIG. 2a, Comparative Example 1, FIG. 2b is Example 1, FIG. 2c is Example 2, and in FIG. 2d, the microstructure of the Al-Co-Cu-Mn-based medium entropy alloy of Comparative Example 2 is scanned by Scanning Electron Microscopy (SEM). ) and the analysis results are shown.

각 합금에서 조성에 따라 옅은 회색의 Cu-rich FCC 상과 회색을 지닌 Co-rich FCC 상, 짙은 회색의 Co-rich L21 상이 구분되어 있음을 확인할 수 있다. It can be seen that in each alloy, a light gray Cu-rich FCC phase, a gray Co-rich FCC phase, and a dark gray Co-rich L2 1 phase are divided according to the composition.

도 3에서는 비교예, 실시예 합금의 실제 성분을 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) mapping image로 확인하였다. 구체적으로, 도 3a에서는 비교예 1, 도 3b에서는 실시예 1, 도 3c에서는 실시예 2, 도 3d에서는 비교예 2의 Al-Co-Cu-Mn계 중엔트로피 합금의 미세조직을 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS)로 분석한 결과를 나타내었다. 2.5Al에서는 Cu-rich 영역과 Co-rich 영역이 존재하며, Al, Mn을 첨가할수록 Al, Co, Mn-rich 영역이 생성되고 그 영역이 확장되는 것을 확인할 수 있었다. 이를 도 1의 XRD 결과와 비교하여 Al, Mn이 적게 함유되어 있을 때는 Cu-rich FCC, Co-rich FCC가 존재하다가, Al, Mn이 첨가할수록 Al, Co, Mn-rich L21 상이 형성됨을 알 수 있다. 최종적으로 20Al에서는 Co-rich FCC 상은 사라지고 Al, Co, Mn-rich L21 상과 Cu-rich FCC 상만 남은 것을 확인하였다. In FIG. 3, the actual composition of the alloy of Comparative Example and Example was confirmed by Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) mapping image. Specifically, the microstructure of the Al-Co-Cu-Mn-based medium entropy alloy of Comparative Example 1 in FIG. 3a, Example 1 in FIG. 3b, Example 2 in FIG. 3c, and Comparative Example 2 in FIG. 3D was analyzed by Energy Dispersive Spectroscopy ( EDS) analysis results are shown. In 2.5Al, Cu-rich region and Co-rich region exist, and as Al and Mn were added, Al, Co, and Mn-rich regions were created and the region expanded. Comparing this with the XRD result of FIG. 1, it was found that Cu-rich FCC and Co-rich FCC were present when Al and Mn were small, but as Al and Mn were added, Al, Co, Mn-rich L2 1 phase was formed. can Finally, in 20Al, it was confirmed that the Co-rich FCC phase disappeared and only the Al, Co, Mn-rich L2 1 phase and Cu-rich FCC phase remained.

또한, 각 합금을 구성하는 상의 실제 성분을 측정하여 표 3에 나타내었다. 이때, Co-rich L21의 Co:Al:Mn의 비율은 2:1:1과 흡사하기 때문에, 도 1에서 생성된 Al, Co, Mn-rich 영역의 peak이 B2가 아니라 L21임을 확인할 수 있다.In addition, the actual components of the phase constituting each alloy were measured and shown in Table 3. At this time, since the ratio of Co:Al:Mn of Co-rich L2 1 is similar to 2:1:1 , it can be confirmed that the peak of the Al, Co, Mn-rich region generated in FIG. 1 is L2 1, not B2. have.

  EDS 분석 조성(at%)EDS  Analysis composition (at%) AlAl CoCo CuCu MnMn 2.5Al
(비교예1)
2.5Al
(Comparative Example 1)
TotalTotal 2.99 2.99 48.22 48.22 45.97 45.97 2.82 2.82
Cu-rich FCCCu-rich FCC 1.55 1.55 6.62 6.62 89.60 89.60 2.24 2.24 Co-rich FCCCo-rich FCC 2.77 2.77 71.74 71.74 20.49 20.49 5.02 5.02 10Al
(실시예1)
10Al
(Example 1)
TotalTotal 11.53 11.53 39.70 39.70 38.17 38.17 10.60 10.60
Cu-rich FCCCu-rich FCC 3.51 3.51 10.98 10.98 78.42 78.42 7.11 7.11 Co-rich FCCCo-rich FCC 6.83 6.83 61.81 61.81 17.50 17.50 13.87 13.87 Al,Co,Mn-richAl, Co, Mn-rich 25.76 25.76 56.18 56.18 3.89 3.89 14.66 14.66 15Al
(실시예2)
15Al
(Example 2)
TotalTotal 16.75 16.75 35.31 35.31 32.52 32.52 15.42 15.42
Cu-rich FCCCu-rich FCC 3.64 3.64 14.21 14.21 69.87 69.87 12.30 12.30 Co-rich FCCCo-rich FCC 5.98 5.98 54.80 54.80 18.29 18.29 20.94 20.94 Al,Co,Mn-richAl, Co, Mn-rich 22.94 22.94 53.82 53.82 4.26 4.26 18.99 18.99 20Al
(비교예2)
20Al
(Comparative Example 2)
TotalTotal 19.03 19.03 33.32 33.32 26.32 26.32 21.32 21.32
Cu-rich FCCCu-rich FCC 3.12 3.12 9.78 9.78 70.16 70.16 16.94 16.94 Al,Co,Mn-richAl, Co, Mn-rich 22.58 22.58 51.66 51.66 4.03 4.03 21.75 21.75

원료 또는 제조과정에 불가피하게 혼입되는 불순물 등에 의한 약간의 오차는 존재하지만, 비교예와 실시예 합금의 조성 모두 상기 표 1과 표 2의 이론적 혼합 비율과 거의 동일한 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.Although there are some errors due to impurities inevitably mixed in the raw material or the manufacturing process, it can be seen that both the compositions of the comparative examples and the example alloys show almost the same values as the theoretical mixing ratios of Tables 1 and 2 above.

경도 측정 결과Hardness measurement result

하기 표 4에는 본 발명의 비교예 및 실시예 합금의 비커스 경도 분석 결과를 나타낸 것이다. Table 4 below shows the Vickers hardness analysis results of the alloys of Comparative Examples and Examples of the present invention.

  원료 혼합 비율(at%)Raw material mixing ratio (at%) 비교예 1Comparative Example 1 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 2Comparative Example 2 비커스 경도
(Hv, kgf/mm2)
Vickers hardness
(H v , kgf/mm 2 )
117117 184184 248248 236236

표 4에 나타난 바와 같이, 비교예 1과 실시예 1, 2에 걸쳐 Al, Mn의 분율이 높아질수록 경도가 증가하나 비교예 2에서는 오히려 소폭 감소함을 확인할 수 있다. As shown in Table 4, in Comparative Example 1 and Examples 1 and 2, as the Al and Mn fractions increased, the hardness increased, but it was confirmed that the hardness decreased slightly in Comparative Example 2.

인장시험 결과Tensile test result

도 4와 아래 표 5는 본 발명에 따라 비교예와 실시예 합금에 대한 상온(298K)에서의 인장시험 결과를 나타낸다. 4 and Table 5 below show the tensile test results at room temperature (298K) for the comparative example and the example alloy according to the present invention.

  원료 혼합 비율(at%)Raw material mixing ratio (at%) 비교예 1Comparative Example 1 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 2Comparative Example 2 항복강도
(MPa)
yield strength
(MPa)
253253 376376 546546 518518
인장강도
(MPa)
tensile strength
(MPa)
438438 611611 761761 677677
연신율
(%)
elongation
(%)
6666 3636 99 55

도 4와 표 5에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 중엔트로피 합금은 항복강도 376 ~ 546 MPa, 인장강도 611 ~ 761 MPa 및 연신율 9 ~ 36%의 인장 특성을 나타내었다.As shown in Figures 4 and 5, the intermediate entropy alloy prepared according to the embodiment of the present invention exhibited tensile properties of yield strength of 376 ~ 546 MPa, tensile strength of 611 ~ 761 MPa, and elongation of 9 ~ 36%.

특히, 실시예 2인 15Al의 경우, 주조재임에도 불구하고 항복강도 546 MPa, 인장강도 761 MPa, 연신율 9%의 뛰어난 상온 인장 특성을 지닌다. In particular, in the case of Example 2, 15Al, despite being a cast material, it has excellent room temperature tensile properties of yield strength of 546 MPa, tensile strength of 761 MPa, and elongation of 9%.

항복강도와 인장강도는 Al, Mn이 첨가될수록 증가하였으나 비교예 2인 20Al에서는 오히려 감소하였다. Yield strength and tensile strength increased as Al and Mn were added, but decreased in Comparative Example 2, 20Al.

반면, Al, Mn이 첨가될수록 연신율은 꾸준히 감소하지만 강도가 가장 높으면서도 20Al보다 연신율이 우수한 15Al이 가장 우수한 기계적 특성을 지님을 확인하였다. On the other hand, as Al and Mn were added, the elongation steadily decreased, but it was confirmed that 15Al, which had the highest strength and superior elongation than 20Al, had the best mechanical properties.

이러한 경향은 각 실시예와 비교예에 대한 경도 분석 결과와 일치하며, 이는 3가지 상을 지니는 실시예 2에서 2가지 상을 지니는 비교예 2보다 상 계면 강화 효과가 높기 때문이다. This trend is consistent with the results of hardness analysis for each Example and Comparative Example, because Example 2 having three phases has a higher phase interface strengthening effect than Comparative Example 2 having two phases.

또한, 표 3에서 볼 수 있듯이 비교예 2에서 Al, Co, Mn-rich L21 상이 다량 석출되며 Al과 Co을 흡수하여 Cu-rich FCC의 Al, Co 고용량이 감소하였기 때문이다. 식 1에 의해 계산된 Cu-rich FCC의 구성 엔트로피 값은 실시예 2에서 0.906R, 비교예 2에서 0.885R을 지닌다.In addition, as can be seen in Table 3, in Comparative Example 2, a large amount of Al, Co, and Mn-rich L2 1 phases were precipitated, and Al and Co were absorbed, so that the Al and Co solid solutions of Cu-rich FCC decreased. The constitutive entropy value of Cu-rich FCC calculated by Equation 1 has 0.906R in Example 2 and 0.885R in Comparative Example 2.

본 발명의 중엔트로피 합금에서, 위와 같은 기계적 특성의 변화 경향은 합금 조성, 미세조직, 계면 특성에 따라 다음과 같은 세 가지 이유가 있을 수 있다.In the mid-entropy alloy of the present invention, the tendency to change the mechanical properties as described above may have the following three reasons depending on the alloy composition, microstructure, and interfacial properties.

(1) Al, Mn 고용량 증가로 인한 고용 강화 효과(1) Employment strengthening effect due to Al, Mn high-capacity increase

(2) 상 분리로 인한 계면 강화 효과(2) Interfacial strengthening effect due to phase separation

(3) Al, Co, Mn-rich L21 석출 상으로 인한 석출 강화 효과(3) Precipitation strengthening effect due to Al, Co, Mn-rich L2 1 precipitation phase

본 발명은 실시예들에 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 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the embodiments, but may be manufactured in various different forms, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains may develop other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be appreciated that this may be practiced. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (15)

Al, Co, Cu, 및 Mn을 포함하고,
하기 식 1을 만족하는,
중엔트로피 합금.
[식 1]
2 ≤ ([Co]+[Cu])/([Al]+[Mn]) ≤ 15
(이때, [X]는 X의 원자%를 의미한다.)
Al, Co, Cu, and Mn;
Satisfying Equation 1 below,
mesoentropic alloy.
[Equation 1]
2 ≤ ([Co]+[Cu])/([Al]+[Mn]) ≤ 15
(In this case, [X] means atomic% of X.)
제1항에 있어서,
원자%를 기준으로,
Co에 대한 Cu의 비율은 0.8 내지 1.2이고,
Al에 대한 Mn의 비율은 0.8 내지 1.2인,
중엔트로피 합금.
According to claim 1,
based on atomic percent,
The ratio of Cu to Co is 0.8 to 1.2,
the ratio of Mn to Al is 0.8 to 1.2,
mesoentropic alloy.
제1항에 있어서,
원자%로, Al: 2.5% 초과 20% 미만, Co: 30% 초과 47.5% 미만, Cu: 30% 초과 47.5% 미만, Mn: 2.5% 초과 20% 미만, 및 불가피한 불순물을 포함하는 것인,
중엔트로피 합금.
According to claim 1,
Al: more than 2.5% less than 20%, Co: more than 30% less than 47.5%, Cu: more than 30% less than 47.5%, Mn: more than 2.5% less than 20%, and unavoidable impurities, in atomic %,
mesoentropic alloy.
제1항에 있어서,
상기 합금은 삼중 상을 포함하는,
중엔트로피 합금.
According to claim 1,
wherein the alloy comprises a triple phase,
mesoentropic alloy.
제4항에 있어서,
상기 삼중 상은 Co를 주성분으로 하는 제1 상; Cu를 주성분으로 하는 제2 상; 및 Al, Co, Mn-rich한 제3 상;을 포함하는,
중엔트로피 합금.
5. The method of claim 4,
The triple phase may include a first phase containing Co as a main component; a second phase mainly composed of Cu; And Al, Co, Mn-rich third phase; Containing,
mesoentropic alloy.
제5항에 있어서,
상기 제1 상, 제2 상, 및 제3 상의 면적비율은, 22:36:42 내지 43:44:13인,
중엔트로피 합금.
6. The method of claim 5,
The area ratio of the first phase, the second phase, and the third phase is 22:36:42 to 43:44:13,
mesoentropic alloy.
제5항에 있어서,
상기 제1 상은 Co-rich FCC 상이고,
상기 제2 상은 Cu-rich FCC 상인,
중엔트로피 합금.
6. The method of claim 5,
The first phase is a Co-rich FCC phase,
wherein the second phase is a Cu-rich FCC phase,
mesoentropic alloy.
제5항에 있어서,
상기 제3 상은 L21 석출상인,
중엔트로피 합금.
6. The method of claim 5,
The third phase is the L2 1 precipitation phase,
mesoentropic alloy.
제5항에 있어서,
상기 제3 상은 원자%로, Co가 52% 이상인,
중엔트로피 합금.
6. The method of claim 5,
The third phase is atomic%, Co is 52% or more,
mesoentropic alloy.
제5항에 있어서,
상기 제3 상에서 Al, Co, 및 Mn의 함량비율은, 원자%를 기준으로, 1:1.5:1 내지 1:3:1인,
중엔트로피 합금.
6. The method of claim 5,
The content ratio of Al, Co, and Mn in the third phase is 1:1.5:1 to 1:3:1 based on atomic%,
mesoentropic alloy.
제1항에 있어서,
상기 합금은 상온(298K)에서 항복강도가 350 MPa 이상이고,
인장강도가 600 MPa 이상이고,
연신율이 7 % 이상인,
중엔트로피 합금.
According to claim 1,
The alloy has a yield strength of 350 MPa or more at room temperature (298K),
Tensile strength of 600 MPa or more,
elongation of more than 7%,
mesoentropic alloy.
제1항에 있어서,
상기 합금은 비커스 경도가 170 kgf/mm2 이상인,
중엔트로피 합금.
According to claim 1,
The alloy has a Vickers hardness of 170 kgf / mm 2 or more,
mesoentropic alloy.
Al, Co, Cu, 및 Mn을 포함하고, 하기 식 1을 만족하는 혼합 분말을 주조하여 잉곳을 제조하는 단계;
상기 잉곳을 급냉하는 단계; 및
상기 급냉한 잉곳을 균질화 열처리하는 단계;를 포함하는,
중엔트로피 합금 제조방법.
[식 1]
2 ≤ ([Co]+[Cu])/([Al]+[Mn]) ≤ 15
(이때, [X]는 X의 원자%를 의미한다.)
manufacturing an ingot by casting a mixed powder containing Al, Co, Cu, and Mn, satisfying the following Equation 1;
rapidly cooling the ingot; and
Including; homogenizing heat treatment of the quenched ingot
A method for manufacturing a mesoentropic alloy.
[Equation 1]
2 ≤ ([Co]+[Cu])/([Al]+[Mn]) ≤ 15
(In this case, [X] means atomic% of X.)
제13항에 있어서,
상기 혼합 분말을 주조하여 잉곳을 제조하는 단계에서,
열처리 온도는 1400 내지 1700 ℃인,
중엔트로피 합금 제조방법.
14. The method of claim 13,
In the step of manufacturing the ingot by casting the mixed powder,
The heat treatment temperature is 1400 to 1700 ℃,
A method for manufacturing a mesoentropic alloy.
제13항에 있어서,
상기 급냉한 잉곳을 균질화 열처리하는 단계에서,
열처리 온도는 600 내지 900 ℃이고,
열처리 시간은 10 내지 14 시간인 것인,
중엔트로피 합금 제조방법.
14. The method of claim 13,
In the homogenization heat treatment of the quenched ingot,
The heat treatment temperature is 600 to 900 ℃,
The heat treatment time is 10 to 14 hours,
A method for manufacturing a mesoentropic alloy.
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