Yüksek entropili Al-Co-Cr-Fe-Mo-Ni esaslı ötektik alaşımlarının tasarlanması, üretilmesi ve karakterizasyonu
Design, production and characterization of high entropy Al-Co-Cr-Fe-Mo-Ni based eutectic alloys
Yazar: AKIN ÖZCAN
Danışman: PROF. DR. HAKAN GAŞAN
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, yüksek sıcaklık uygulamaları için üstün mekanik özelliklere sahip ötektik yüksek entropili alaşımların tasarım, üretim ve karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Al-Co-Cr-Fe-Mo-Ni, Al-Co-Cr-Fe-Nb-Ni ve Al-Co-Cr-Fe-Ni sistemlerinde, ThermoCalc programı ve TCHEA2 veritabanı kullanılarak sistematik bir tarama gerçekleştirilmiş ve bu sistemlerde bulunan ötektik alaşımların kompozisyonları belirlenmiştir. Belirlenen ötektik alaşımlar içerisinden yapısında sünek YMK ile birlikte sert B2 veya Lave fazlarını barındıran ve aynı zamanda üretim sırasında istenmeyen fazların oluşma ihtimali düşük olan (Co40Cr10Fe5Mo5Ni40)82,2Al17,8, (Co10Cr20Fe20Nb10Ni40)92Al8, (Co25Cr15Fe20Ni40)83Al17 ve (Co40Cr15Fe20Ni25)83Al17 alaşımları belirlenerek vakum ark ergitme ve döküm yöntemi ile üretilmişlerdir. Üretilen alaşımların yapı-özellik ilişkilerinin ortaya çıkarılması amacıyla da yapısal ve mekanik karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir.
Üretilen (Co40Cr10Fe5Mo5Ni40)82,2Al17,8, (Co25Cr15Fe20Ni40)83Al17 ve (Co40Cr15Fe20Ni25)83Al17 ötektik alaşımlarının yapısında sadece YMK ve B2 fazlarını, (Co10Cr20Fe20Nb10Ni40)92Al8 alaşımının ise YMK ve Lave fazlarını barındırdığı tespit edilmiştir. Mekanik karakterizasyon çalışmaları sonucu (Co40Cr10Fe5Mo5Ni40)82,2Al17,8, (Co10Cr20Fe20Nb10Ni40)92Al8, (Co25Cr15Fe20Ni40)83Al17 ve (Co40Cr15Fe20Ni25)83Al17 ötektik alaşımlarının oda sıcaklığındaki akma mukavemetleri ve süneklikleri sırasıyla; 668 MPa - %32,5; 1179 MPa - %12,9; 606 MPa - >%60 ve 554 MPa - %42,1 olarak tespit edilmiştir.
Mekanik özelliklerin iyileştirilmesi amacıyla; (Co40Cr10Fe5Mo5Ni40)82,2Al17,8 alaşımında katılaşma hızının, ısıl işlemin, deformasyonun ve B elementi ile mikroalaşımlamanın etkisi, (Co25Cr15Fe20Ni40)83Al17 alaşımında Mo ve V elementleri ile alaşımlamanın etkisi araştırılmıştır. En yüksek mukavemet artışı, (Co40Cr10Fe5Mo5Ni40)82,2Al17,8 alaşımında 300 ppm B ilavesi ile elde edilmiştir. (Co40Cr10Fe5Mo5Ni40)82,2Al17,8+300 ppm alaşımında akma mukavemeti ve süneklik değerleri, sırasıyla 902 MPa - %31,0 olarak tespit edilmiştir. 
Yüksek sıcaklıklarda mekanik özelliklerin belirlenmesi amacıyla gerçekleştirilen yüksek sıcaklık basma deneyleri sonucunda (Co40Cr10Fe5Mo5Ni40)82,2Al17,8+300 ppm alaşımının 750 °C'ye kadar mekanik özelliklerini koruduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, design, production and characterization studies of eutectic high entropy alloys with superior mechanical properties for high temperature applications were carried out. A systematic search was performed on Al-Co-Cr-Fe-Mo-Ni, Al-Co-Cr-Fe-Nb-Ni and Al-Co-Cr-Fe-Ni systems using the ThermoCalc program and the TCHEA2 database, and the compositions of eutectic alloys in these systems were determined. Among the determined eutectic alloys; (Co40Cr10Fe5Mo5Ni40)82.2Al17.8, (Co10Cr20Fe20Nb10Ni40)92Al8, (Co25Cr15Fe20Ni40)83Al17 and (Co40Cr15Fe20Ni25)83Al17 compositions, which contain ductile FCC and hard B2 or Lave phases and at the same time have low probability of occurrence of undesirable phases during production, were selected and produced by vacuum arc melting and casting method. Structural and mechanical characterization studies were carried out in order to reveal the structure-property relationships of the produced alloys.
It was determined that the produced (Co40Cr10Fe5Mo5Ni40)82.2Al17.8, (Co25Cr15Fe20Ni40)83Al17 and (Co40Cr15Fe20Ni25)83Al17 eutectic alloys contain only FCC and B2 phases, while the (Co10Cr20Fe20Nb10Ni40)92Al8 alloy contains FCC and Lave phases. As a result of the mechanical characterization studies room temperature yield strength and ductility of Co40Cr10Fe5Mo5Ni40)82.2Al17.8, (Co10Cr20Fe20Nb10Ni40)92Al8, (Co25Cr15Fe20Ni40)83Al17 and (Co40Cr15Fe20Ni25)83Al17 eutectic alloys were determined as 668 MPa - 32.5%; 1179 MPa - 12.9%; 606 MPa -> 60% and 554 MPa - 42.1% respectively.
In order to improve the mechanical properties; the effect of solidification rate, heat treatment, deformation and microalloying with element B in alloy (Co40Cr10Fe5Mo5Ni40)82.2Al17.8, and the effect of alloying with Mo and V elements in alloy (Co25Cr15Fe20Ni40)83Al17 were investigated. The maximum strength increase was obtained with the addition of 300 ppm B in (Co40Cr10Fe5Mo5Ni40)82.2Al17.8 eutectic alloy. The yield strength and ductility values for the (Co40Cr10Fe5Mo5Ni40)82.2Al17.8 + 300ppm B alloy were determined as 902 MPa - 31.0%, respectively.
As a result of the high temperature compression tests performed to determine the high temperature mechanical properties, it has been determined that the mechanical properties of the alloy (Co40Cr10Fe5Mo5Ni40)82.2Al17.8 + 300ppm B were not affected up to 750 ° C.