Investigation of the effects of conventional sintering and spark plasma sintering methods on the microstructural properties and hardness of nanostructured CoCrFeNi high entropy alloy

Ali Rıza Baloğlu; Mustafa Tekin; Hasan Kotan

Makale detayları

Investigation of the effects of conventional sintering and spark plasma sintering methods on the microstructural properties and hardness of nanostructured CoCrFeNi high entropy alloy

Yazarlar:

Ali Rıza Baloğlu | Mustafa Tekin | Hasan Kotan

Yayıncı:

Gazi University

Ana Başlıklar:

Malzeme Karekterizasyonu | Malzeme Üretim Teknolojileri | Metaller ve Alaşım Malzemeleri | Toz Metalurjisi | Üretim Metalurjisi

Dergi:

Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi Vol.39 Issue 4, pp.2515-2524

Belge Tipi:

Makale

Yayın Tarihi:

5/2024

Belge Dili:

Türkçe

Document ID (Org No.):

2001317568

pISSN:

1300-1884

Anahtar kelimeler:

Özet:

 In the present study, CoCrFeNi HEAs were prepared in nanocrystalline structure and consolidated via conventional sintering and spark plasma sintering. Investigation of microstructures were implemented by using x-ray diffraction XRD, focused ion beam microscopy FIB, and transmission electron microscopy TEM with respect to sintering type and temperature. The findings have showed that the as-milled single-phase face centered cubic fcc crystal structure was retained after conventional sintering at 1000 and 1100 C, whereas spark plasma sintering yielded additional phase Cr7C3 at the same temperatures. The as-milled grain size was increased from 10 nm to 450 nm and 1.5 µm after conventional sintering at 1000 and 1100 C, respectively, revealing that the nano-structured CoCrFeNi alloy does not remain thermally stable after long exposures at elevated temperatures. On the other hand, the grain size was retained around 353 nm after spark plasma sintering at 1100 C, which is dramatically smaller than that of conventional sintering. Accordingly, the hardness of mechanically alloyed CoCrFeNi HEA reduced from 4.6 GPa to 2.1 GPa after conventional sintering at 1100 C due to the significant grain growth, whereas the advanced hardness of 3.6 GPa was maintained after consolidation at the same temperature with spark plasma sintering.

 In the present study, CoCrFeNi HEAs were prepared in nanocrystalline structure and consolidated via conventional sintering and spark plasma sintering. Investigation of microstructures were implemented by using x-ray diffraction XRD, focused ion beam microscopy FIB, and transmission electron microscopy TEM with respect to sintering type and temperature. The findings have showed that the as-milled single-phase face centered cubic fcc crystal structure was retained after conventional sintering at 1000 and 1100 C, whereas spark plasma sintering yielded additional phase Cr7C3 at the same temperatures. The as-milled grain size was increased from 10 nm to 450 nm and 1.5 µm after conventional sintering at 1000 and 1100 C, respectively, revealing that the nano-structured CoCrFeNi alloy does not remain thermally stable after long exposures at elevated temperatures. On the other hand, the grain size was retained around 353 nm after spark plasma sintering at 1100 C, which is dramatically smaller than that of conventional sintering. Accordingly, the hardness of mechanically alloyed CoCrFeNi HEA reduced from 4.6 GPa to 2.1 GPa after conventional sintering at 1100 C due to the significant grain growth, whereas the advanced hardness of 3.6 GPa was maintained after consolidation at the same temperature with spark plasma sintering.

 In the present study, CoCrFeNi HEAs were prepared in nanocrystalline structure and consolidated via conventional sintering and spark plasma sintering. Investigation of microstructures were implemented by using x-ray diffraction XRD, focused ion beam microscopy FIB, and transmission electron microscopy TEM with respect to sintering type and temperature. The findings have showed that the as-milled single-phase face centered cubic fcc crystal structure was retained after conventional sintering at 1000 and 1100 C, whereas spark plasma sintering yielded additional phase Cr7C3 at the same temperatures. The as-milled grain size was increased from 10 nm to 450 nm and 1.5 µm after conventional sintering at 1000 and 1100 C, respectively, revealing that the nano-structured CoCrFeNi alloy does not remain thermally stable after long exposures at elevated temperatures. On the other hand, the grain size was retained around 353 nm after spark plasma sintering at 1100 C, which is dramatically smaller than that of conventional sintering. Accordingly, the hardness of mechanically alloyed CoCrFeNi HEA reduced from 4.6 GPa to 2.1 GPa after conventional sintering at 1100 C due to the significant grain growth, whereas the advanced hardness of 3.6 GPa was maintained after consolidation at the same temperature with spark plasma sintering.

 CoCrFeNi YEAları mekanik alaşımlama yöntemiyle üretilerek geleneksel sinterleme ve spark plazma sinterleme yöntemleriyle konsolide edilmiştir. Sinterleme yöntemi ve sıcaklıklarının bir fonksiyonu olarak mikroyapıların incelenmesi için x-ışınları difraksiyonu XRD, odaklanmış iyon demeti mikroskobu FIB ve geçirimli elektron mikroskobu TEM yöntemleri kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar, alaşımlanmış yapıların tek fazlı yüzey merkezli kübik ymk kristal yapıya sahip olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, aynı sıcaklıklarda uygulanan spark plazma sinterleme sonrasında alaşımların mikroyapılarında ymk kristal yapıya sahip matris fazına ilave olarak Cr7C3 fazının da oluştuğu tespit edilmiştir. Mekanik alaşımlanmış yapıların tane boyutu 10 nm civarında iken, 1000 ve 1100 Cdeki geleneksel sinterleme sonrasında tane boyutu sırasıyla 450 nm ve 1,5 µm değerlerine ulaşmış, bu da nanokristal yapılı CoCrFeNi alaşımının geleneksel sinterleme ile termal kararlığını koruyamadığını göstermektedir. Mekanik alaşımlanmış tozların spark plazma sinterleme ile 1100 Cde konsolidasyonu sonrası YEAnın tane boyutu yaklaşık 355 nm olarak elde edilmiş olup bu değer aynı sıcaklıkta geleneksel sinterleme ile elde edilmiş alaşımın tane boyutundan daha küçüktür. Buna göre, CoCrFeNi YEAsının mekanik alaşımlama sonrası 4,6 GPa olarak tespit edilen sertliği, 1100 Cdeki geleneksel sinterleme sonrasında görülen tane büyümesi nedeniyle 2,1 GPaya düşmüş, ancak 1100 Cde spark plazma sinterleme ile konsolidasyon sonucunda sertlik değeri 3,6 GPa olarak korunmuştur.

Makale detayları

Investigation of the effects of conventional sintering and spark plasma sintering methods on the microstructural properties and hardness of nanostructured CoCrFeNi high entropy alloy

Yazarlar:

Ali Rıza Baloğlu | Mustafa Tekin | Hasan Kotan

Yayıncı:

Gazi University

Ana Başlıklar:

Malzeme Karekterizasyonu | Malzeme Üretim Teknolojileri | Metaller ve Alaşım Malzemeleri | Toz Metalurjisi | Üretim Metalurjisi

Dergi:

Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi Vol.39 Issue 4, pp.2515-2524

Belge Tipi:

Makale

Yayın Tarihi:

5/2024

Belge Dili:

Türkçe

Document ID (Org No.):

2001317568

pISSN:

1300-1884

high entropy alloys

mechanical alloying

conventional sintering

spark plasma sintering

microstructural characterizationyüksek entropili alaşımlar

mekanik alaşımlama

geleneksel sinterleme

spark plazma sinterleme

mikroyapısal karakterizasyon

Sayı

Makale detayları

Yazarlar: Ali Rıza Baloğlu | Mustafa Tekin | Hasan Kotan

Yayıncı: Gazi University

Ana Başlıklar: Malzeme Karekterizasyonu | Malzeme Üretim Teknolojileri | Metaller ve Alaşım Malzemeleri | Toz Metalurjisi | Üretim Metalurjisi

Dergi: Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi Vol.39 Issue 4, pp.2515-2524

Belge Tipi: Makale

Yayın Tarihi: 5/2024

Belge Dili: Türkçe

Document ID (Org No.): 2001317568

pISSN: 1300-1884

Sayı

Yazarlar:

Ali Rıza Baloğlu | Mustafa Tekin | Hasan Kotan

Yayıncı:

Gazi University

Ana Başlıklar:

Malzeme Karekterizasyonu | Malzeme Üretim Teknolojileri | Metaller ve Alaşım Malzemeleri | Toz Metalurjisi | Üretim Metalurjisi

Dergi:

Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi Vol.39 Issue 4, pp.2515-2524

Belge Tipi:

Makale

Yayın Tarihi:

5/2024

Belge Dili:

Türkçe

Document ID (Org No.):

2001317568

pISSN:

1300-1884