Come gli atomi del policristallino Nb20.6Mo21.7Ta15.6W21.1V21.0 sono refrattari alti

May 05, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 5183 (2022) Citare questo articolo

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Il meccanismo di fusione delle leghe refrattarie ad alta entropia (RHEA) monocristalline e policristalline Nb20.6Mo21.7Ta15.6W21.1V21.0 è stato studiato mediante la simulazione della dinamica molecolare (MD) utilizzando il metodo dell'atomo incorporato modificato del secondo vicino più vicino (2NN MEAM ) potenziale. Per il RHEA a cristallo singolo, il profilo di densità mostra un brusco calo da 11,25 a 11,00 g/cm3 a temperature comprese tra 2910 e 2940 K, indicando che tutti gli atomi iniziano un significativo riarrangiamento strutturale locale. Per gli RHEA policristallini si trova un processo di fusione a due stadi. Nella prima fase di fusione, la fusione delle regioni del confine del grano (GB) avviene dapprima alla temperatura di prefusione, che è relativamente inferiore al corrispondente punto di fusione del sistema. Alla temperatura di pre-fusione, la maggior parte degli atomi GB hanno energie cinetiche sufficienti per lasciare le loro posizioni di equilibrio, e quindi indurre gradualmente il riarrangiamento degli atomi di grano vicini a GB. Nella seconda fase di fusione, nel punto di fusione, la maggior parte degli atomi del grano hanno energie cinetiche sufficienti per riorganizzarsi, con conseguenti cambiamenti chimici dell'ordine a breve termine di tutte le coppie.

I materiali utilizzati in ambienti di lavoro estremi come temperature o pressioni elevate hanno un urgente bisogno di applicazioni industriali. Ad esempio, per migliorare l’efficienza dei motori a turbina a gas nell’industria aerospaziale, l’aumento della temperatura di esercizio del motore è uno dei modi più efficaci1. Tuttavia, il materiale strutturale ad alta temperatura più comunemente utilizzato, la superlega a base di nichel, ha il proprio punto di fusione di circa 1300 °C, che limita la temperatura operativa massima2,3. Pertanto, è molto importante che il materiale abbia un punto di fusione sufficientemente elevato4. Le leghe ad alta entropia (HEA), note anche come leghe a più elementi principali (MPEA), sono composte da più di quattro tipi di elementi principali5. All'interno degli HEA, tutti gli elementi compositivi sono disposti nella distribuzione più uniforme, portando a eccellenti proprietà del materiale tra cui elevata durezza6, combinazione di elevata resistenza e duttilità7,8, buona resistenza alla fatica9, microstruttura alle alte temperature e stabilità meccanica10, eccezionali proprietà elettromagnetiche11, eccellente resistenza all'usura12, resistenza alla corrosione13 e resistenza all'ossidazione14.

Tra tutti gli HEA, le leghe refrattarie ad alta entropia (RHEA) hanno generalmente uno o più elementi refrattari compositivi come W, Mo, Ta, Nb, Zr e Re15. Per gli HEA senza elementi refrattari, la scarsa stabilità di fase e la bassa plasticità alle alte e medie temperature rappresentano due colli di bottiglia per limitare le loro applicazioni alle alte temperature. Di conseguenza, gli RHEA mostrano un'eccellente resistenza alle alte temperature, un elevato punto di fusione (> 2000 °C) e una maggiore resistenza alle alte temperature, che ha un ampio potenziale per applicazioni in apparecchiature ad alta temperatura. Ad esempio, nel 2010, il primo RHEA, NbMoTaW RHEA, è stato fabbricato da Senkov16. Il limite di snervamento di NbMoTaW RHEA a 1600 °C è 405 MPa e il limite della temperatura di esercizio di 1600 °C è molto più elevato di quello delle leghe ad alta temperatura a base di nichel di circa 1300 °C. Nello studio di Xia17, è stata studiata la stabilità termica del film sottile di MoNbTaVW RHEA e i risultati sperimentali mostrano che la fase di soluzione solida cubica a corpo centrato di MoNbTaVW RHEA è ancora molto stabile fino a 1800 K. Nello studio sperimentale di Zhang18, il meccanismo di deformazione plastica di È stato osservato MoNbTaVW RHEA ad alta pressione. È stato riscontrato che la crescita attiva della dislocazione è principalmente responsabile dell'elevata resistenza del MoNbTaVW RHEA. Nello studio di Yang19, hanno trovato un modo efficace per migliorare la resistenza all'ossidazione del MoNbTaVW RHEA utilizzando rivestimenti di cementazione a base di Si/Al, che migliorano anche le proprietà meccaniche del MoNbTaVW RHEA alle alte temperature. Nello studio di Nie1, gli HfMoScTaZr RHEA sono stati preparati mediante apparecchiature di fusione ad arco sotto vuoto. Aggiungendo l'elemento Sc, la densità della lega diminuisce e la resistenza e la plasticità degli HfMoScTaZr RHEA sono state significativamente migliorate. I limiti di snervamento degli HfMoScTaZr RHEA a temperatura ambiente, 800 ° C, 1000 ° C e 1200 ° C sono rispettivamente 1778, 1118, 963 e 498 MPa. A 1200 °C, il limite di snervamento di HfMoScTaZr RHEA è circa 4,3 e 6 volte superiore a quello delle tradizionali superleghe classiche, Inconel 71820 e CMSX-421. Oltre ai tipi di elementi compositivi e alle relative frazioni, le proprietà dei materiali degli HEA o delle leghe sono significativamente influenzate dal grado di cristallinità. Ad esempio, nello studio di Lin22, il processo di macinazione a sfere di fusione e pressatura a caldo è stato adottato per fabbricare leghe Cu3−xNixSbSe4 (x = 0–0,03) con diverse dimensioni medie dei grani. Sono state osservate le influenze della dimensione media del grano sulla microstruttura e sulle proprietà termoelettriche di Cu3−xNixSbSe4. A causa dell'affinamento del grano e dell'aumento del difetto di Se, la conduttività termica del reticolo diminuisce da 3,3 W m−1 K−1 a 2,4 W m−1 K−1 a temperatura ambiente quando la frazione Ni diminuisce da x = 0,03 a 0. In Nello studio di Sun23, i risultati sperimentali indicano che quando la dimensione del grano di CoCrFeMnNi HEA diminuisce da 105 μm a 650 nm a 293 K, il carico di snervamento aumenta da 225 a 798 MPa con un aumento del 254,7%. Allo stesso tempo il carico di rottura a trazione passa da 798 a 887 MPa con un incremento del 11,2%. Bhandari et al. adottato il metodo della teoria del funzionale della densità (DFT) consisteva nel calcolare le proprietà strutturali e meccaniche di AlCrMoTiV3. Secondo la previsione DFT, Al30Cr10Mo5Ti20V35 RHEA ha le frazioni di elementi ottimali per possedere una densità inferiore di 5,16 g/cm3 e una durezza maggiore di 5,56 GPa.