توصيفگر ها :
تركيب بين فلزي آنتروپي بالاي آلومينايدي (Al4FeCrCoNi) , سنتز , مشخصه يابي , پايداري ساختاري , مقاومت اكسيداسيون دماي بالا , شبيه سازي
چكيده فارسي :
از آن‌جا كه توسعه مواد دما بالا با چالش پايداري شيميايي و خواص مكانيكي روبرو هستند، لذا تحقيقات در اين زمينه مي‌تواند از اهميت بالايي برخوردار باشد. در اين راستا، طي دو دهه گذشته تحقيقات در زمينه‌ي آلياژهاي آنتروپي بالا از جمله راه حل‌هايي است كه مي‌تواند در رابطه با ارتقاي پايداري شيميايي و خواص مكانيكي مواد دماي بالا مؤثر باشد. در اين پژوهش ابتدا تركيب بين فلزي آلومينايدي آنتروپي بالا (Al4FeCrCoNi) در دو فرايند ذوب قوس الكتريكي تحت خلاء (VAR) و سنتز پلاسما جرقه‌اي (SPS) توليد شده‌است. با فازيابي و مشخصه يابي كريستالي ساختار تك فاز B2 در نمونه تحت فرايند ذوب قوس الكتريكي تحت خلاء مشاهده شده‌است. پس از مشخصه‌يابي ساختاري به شبيه سازي ماده پرداخته شد. در اين شبيه‌سازي‌ها با شبيه سازي ابتدا به ساكن ستوني، لايه‌اي و آنتروپي بيشينه 3 نماينده براي شبيه سازي فازي بوده و پس از انجام شبيه‌سازي به روش تئوري چگالي تابعي (DFT) و توسط نرم افزار CASTEP به يك فاز پايدار دست يافته شد. از جمله خواص فاز حاصل از اين شبيه‌سازي چگالي برابر با 6.04 g.cm-3، دارا بودن خواص رسانايي و ديامغناطيس، مدول يانگ GPa 141.1 و سختي GPa 7.13 خواهد بود. پس از آن براي تطابق خواص دريافت شده از نتايج شبيه‌سازي و نتايج تجربي به دست آمده به بررسي خواص مغناطيسي، سختي و خواص حرارتي پرداخته شد كه تطابق 95 درصدي باعث تاييد نتايج شبيه‌سازي خواهد بود. با انجام آزمون آناليز حرارتي بر روي نمونه‌ها در قابليت اين آلياژ به پايداري حرارتي فاز مورد نظر تا دماي °C 960 مشخص شد. از اين رو به بررسي سينتيكي اكسيداسيون دماي بالاي ماده در سه دماي 850، 900 و °C 950 پرداخته شد. طي اين آزمون اكسيداسيون نمونه‌هاي سنتز شده در فرايند (VAR) در زمان‌هاي مختلفي از صفر تا 30 ساعت تحت دماهاي ذكر شده قرار گرفته كه قبل و بعد از اكسيداسيون وزن شدند. هم‌چنين دو آلياژ شناخته شده دماي بالا ( AWS A5.14 وInconel 625) نيز براي مقايسه رفتار اكسيداسيون دماي بالاي آن‌ها تحت اين آزمون قرار داده شده‌اند. طبق نتايج آناليز سينتيكي، پس از ده ساعت اكسيداسيون لايه اكسيدي تشكيل شده روي سطح نمونه به لايه رويين تبديل شده و سرعت اكسيداسيون به شدت كاهش يافته است. تا قبل از اين مدت زمان، در دو ساعت اول اكسيداسيون، مكانيزم كنترل كننده سرعت واكنش شيميايي مرتبه اول و انرژي فعال‌سازي آن معادل kJ/mol 154.4 است و در بازه زماني دو تا ده ساعت، نفوذ يك بعدي در لايه اكسيدي با انرژي فعال‌سازي kJ/mol 262.7 مكانيزم غالب خواهد بود. در نهايت نتايج به‌دست‌آمده از اين مطالعه، پايه‌اي براي تحقيقات آينده و توسعه تركيبات بين فلزي آنتروپي بالا براي طيف وسيعي از كاربردهاي صنعتي ارائه خواهد داد.
چكيده انگليسي :
Given that the development of high-temperature materials faces challenges with chemical stability and mechanical properties, research in this area can be of high importance. In this regard, research on high entropy alloys over the past two decades is one of the solutions that can be effective in improving the chemical stability and mechanical properties of high-temperature materials. In this research, a high-entropy intermetallic aluminide compound (Al4FeCrCoNi) was first produced in two processes of vacuum arc melting (VAR) and spark plasma sintering (SPS). Phase identification and crystallographic characterization revealed a single-phase B2 structure in the sample under the vacuum arc melting process. After structural characterization, material simulation was performed. In these simulations, initially static columnar, layered, and maximum entropy 3 representatives were for phase simulation and after performing simulation by density functional theory (DFT) method and by CASTEP software, a stable phase was achieved. Among the properties of the phase obtained from this simulation are density equal to 6.04 g.cm-3, having conductive and diamagnetic properties, Young’s modulus 141.1 GPa, and hardness 7.13 GPa. After that, to match the properties obtained from the simulation results and the experimental results obtained, the magnetic properties, hardness, and thermal properties were examined, which will confirm the simulation results with a 95 percent match. By performing a thermal analysis test on the samples, the ability of this alloy to thermal stability of the desired phase up to 960 °C was determined. Therefore, the high-temperature oxidation kinetics of the material were studied at three temperatures of 850, 900, and 950 °C. During this oxidation test, the synthesized samples in the VAR process were exposed at different times from zero to 30 hours under the mentioned temperatures and were weighed before and after oxidation. Also, two known high-temperature alloys (AWS A5.14 and Inconel 625) were also subjected to this test for comparison of their high-temperature oxidation behavior. According to the results of kinetic analysis, after ten hours of oxidation, the oxide layer formed on the surface of the sample has turned into a rutile layer and the oxidation rate has drastically decreased. Until before this time, in the first two hours of oxidation, the mechanism controlling the rate of chemical reaction is first order and its activation energy is equivalent to 154.4 kJ/mol and in the time range of two to ten hours, one-dimensional diffusion in the oxide layer with activation energy 262.7 kJ/mol will be the dominant mechanism. Ultimately, the results obtained from this study will provide a basis for future research and development of high-entropy intermetallic compounds for a wide range of industrial applications.
