مواد پیشرفته در مهندسی

مواد پیشرفته در مهندسی

بهبود مقاومت به سایش در پوشش‌های آلیاژهای انتروپی بالا FeCrCoNiMnTix از طریق تشکیل درجا کاربیدهای غنی از تیتانیوم در طول فرایند تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
محسن علی‌زاده
سعیدرضا بخشی
محمدرضا دهنوی
غلامحسین برهانی
دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، شاهین‌شهر، اصفهان، ایران
چکیده
مقدمه و اهداف: هدف از این پژوهش، بررسی رفتار سایشی پوشش آلیاژ آنتروپی بالای FeCrCoNiMnTix روی فولاد زنگ‌نزن مارتنزیتی AISI 431 است.
مواد و روش‌ها: پودرهای آلیاژی، به روش آلیاژسازی مکانیکی در آسیاب سیاره‌ای و در محیط آرگون تهیه شدند. پودرهای حاصل از آلیاژسازی مکانیکی به‌منظور ارزیابی مقاومت به سایش، با استفاده از روش تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای به‌صورت پوشش اعمال شدند. آنالیزهای جامع با استفاده از پراش پرتو ایکس و میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی نشان داد که افزودن تیتانیوم موجب گذار ریزساختار از حالت غالب FCC به ساختار غنی از BCC شده و تشکیل فاز بین‌فلزی لاوه را تسهیل می‌کند. همچنین جهت ارزیابی رفتار سایشی از آزمون‎های میکروسختی و سایش پین روی دیسک استفاده شد.
یافته‌ها: در فرآیند تف‌جوشی SPS، به دلیل برهم‌کنش تیتانیوم با کربن، احتمال زیاد تشکیل کاربیدهای تیتانیوم به‌صورت درجا وجود دارد که در کنار استحکام‌بخشی محلول جامد و تشکیل فازهای بین‌فلزی، منجر به افزایش سختی تا HV0.05 1030 در ترکیب FeCrCoNiMnTi شد. نتایج آزمون سایش نشان داد بهترین عملکرد مربوط به ترکیب FeCrCoNiMnTi با نرخ سایش حدود <span dir="ltr">3/78 × 10-5 mm3/N.m</span> است که تقریبا چهار برابر کم‎تر از فولاد AISI 431 است.
نتیجه‌گیری: این بهبود به اثر هم‌افزای استحکام‌بخشی ناشی از زمینه BCC، فازهای بین‌فلزی لاوه و کاربیدهای تشکیل‌شده درجا نسبت داده می‌شود. نتایج این پژوهش بیان‎گر آن است که آلیاژهای انتروپی بالای FeCrCoNiMnTi، می‌توانند گزینه‌های امیدبخشی برای پوشش‌های مقاوم به سایش باشند و نقش حیاتی طراحی ترکیب شیمیایی در مهندسی خواص ساختاری و تریبولوژیکی آن‌ها را برجسته می‌سازند.
کلیدواژه‌ها
FeCrCoNiMnTix
آلیاژ انتروپی بالا
آلیاژسازی مکانیکی
پوشش
خواص تریبولوژیکی
موضوعات

عنوان مقاله English

Improving the Wear Resistance of FeCrCoNiMnTix High-Entropy Alloys Coatings via In-Situ Formation of Ti-Rich Carbides During Spark Plasma Sintering Process

نویسندگان English

Mohsen Alizadeh
Saeed-Reza Bakhshi
Mohammad-Reza Dehnavi
Gholam-Hosein Borhani
Department of Materials Engineering, Malek Ashtar University of Technology, Shahin Shahr, Iran
چکیده English

Introduction and Objectives: This study investigates the wear behavior of FeCrCoNiMnTix high-entropy alloy coatings deposited on AISI 431 martensitic stainless steel.
Materials and Methods: The alloy powders were prepared via mechanical alloying in a planetary ball mill under an argon atmosphere. To evaluate their wear resistance, the synthesized powders were applied as coatings using the spark plasma sintering technique. Comprehensive analyses, including X-ray diffraction and field emission scanning electron microscopy, revealed that the addition of Ti induces a microstructural transition from a dominant FCC phase to a BCC-rich structure and facilitates the formation of Laves intermetallic phases. Microhardness measurements and pin-on-disk wear test were employed to assess the wear behavior.
Results: The results strongly suggest that TiC formed in situ during the SPS process due to the interaction between Ti and carbon. This, combined with solid solution strengthening and the formation of intermetallic phases, resulted in an increase in hardness up to 1030 HV0.05 for the FeCrCoNiMnTi composition. Wear test results indicated that the best performance was achieved by the FeCrCoNiMnTi composition, with a wear rate of approximately 3.78 × 10⁻⁵ mm³/N.m, which is nearly four times lower than that of the AISI 431 stainless steel.
Conclusion: This improvement is attributed to the synergistic strengthening effects of the BCC matrix, laves intermetallic phases, and the in-situ formed carbides. The findings of this research suggest that FeCrCoNiMnTi high-entropy alloys are promising candidates for wear-resistant coatings and underscore the critical role of chemical composition design in engineering their structural and tribological properties.

کلیدواژه‌ها English

FeCrCoNiMnTix
High-entropy alloy
Mechanical alloying
Coating
Tribological properties
1. Miracle DB, Senkov ON. A critical review of high entropy alloys and related concepts. Acta Mater. 2017;122:448-511. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.081
2. Thurston KV, Gludovatz B, Hohenwarter A, Laplanche G, George EP, Ritchie RO. Effect of temperature on the fatigue-crack growth behavior of the high-entropy alloy CrMnFeCoNi. Intermetallics 2017;88:65-75. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2017.05.009
3. Ranganathan S. Alloyed pleasures: multimetallic cocktails. Curr Sci. 2003;85(10):1404-1406.
4. Huang PK, Yeh JW, Shun TT, Chen SK. Multi-principal-element alloys with improved oxidation and wear resistance for thermal spray coating. Adv Eng Mater. 2004;6:74-78. https://doi.org/10.1002/adem.200300507
5. Hsu CY, Yeh JW, Chen SK, Shun TT. Wear resistance and high-temperature compression strength of FCC CuCoNiCrAl0.5Fe alloy with boron addition. Metal Mater Trans A 2004;35:1465-1469. https://doi.org/10.1007/s11661-004-0254-x
6. Hu ZY, Zhang ZH, Cheng XW, Wang FC, Zhang YF, Li SL. A review of multi-physical fields induced phenomena and effects in spark plasma sintering: Fundamentals and applications. Mater Des. 2020;191:108662. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108662
7. Tokita M. Development of large-size ceramic/metal bulk FGM fabricated by spark plasma sintering. Mater Sci Forum. 1999;308-31:83-88.  https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.308-311.83
8. Tokita M. Mechanism of spark plasma sintering. In: Proceedings of the NEDO International Symposium on Functionally Graded Materials; 1999; Kyoto, Japan. p. 23-33.
9. Liu L, Han T, Cao SC, Liu Y, Shu J, Zheng C, et al. Enhanced wearing resistance of carbide reinforced FeCoNiCrMn high entropy alloy prepared by mechanical alloying and spark plasma sintering. Mater Today Commun. 2022;30:103127. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.103127
10. Kope´c-Surzyn A, Madej M. Influence of tooling on the properties of the surface layer in HEA sinters produced by the SPS method. Coatings 2024;14:186.  https://doi.org/10.3390/coatings14020186
11. Qu T, Liu M, Yang C, Wang X, Wang J. The growth kinetic and ultra high hardness of CoCrFeNiTi high–entropy alloy by mechanical alloying and spark plasma sintering. Materials 2025;18:3242. https://doi.org/10.3390/ma18143242
12. Nishimoto A, Nishi C. Carbide layer coating on titanium by spark plasma sintering technique. Surf Coat Tec. 2018;353:324–328. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.08.092
13. Alizadeh M, Bakhshi SR, Dehnvi MR, Borhni GH. A study on the influence of titanium addition on the phase transformations and magnetic properties of FeCrCoNiMn high-entropy alloy powder prepared by mechanical alloying. J Adv Mater Eng. 2025;44(3):135-149. https://doi.org/10.47176/jame.44.3.1112
14. Miedema A, De Boer F, Boom R. Model predictions for the enthalpy of formation of transition metal alloys. Calphad 1977;1:341-359. https://doi.org/10.1016/0364-5916(83)90030-5
15. Liu W, Lu Z, He J, Luan J, Wang Z, Liu B, et al. Ductile CoCrFeNiMox high entropy alloys strengthened by hard intermetallic phases. Acta Mater. 2016;116:332-342. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.06.063
16. Chen Y, Liu W, Wang H, Xie J, Zhang T, Yin L, et al. Effect of Ti content on the microstructure and properties of CoCrFeNiMnTix high entropy alloy. Entropy 2022;24:241. https://doi.org/10.3390/e24020241
17. Laurent-Brocq M, Akhatova A, Perriere L, Chebini S, Sauvage X, Leroy E. Insights into the phase diagram of the CrMnFeCoNi high entropy alloy. Acta Mater. 2015;88:355-365. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.01.068
18. Chen Z, Chen W,  Wu B,  Cao X,  Liu L, Fu Z. Effects of Co and Ti on microstructure and mechanical behavior of Al0.75FeNiCrCo high entropy alloy prepared by mechanical alloying and spark plasma sintering. Mater Sci Eng A 2015;648:217-224. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.08.056
19. Ezatpour HR, Torabi-Parizi M. Effect of Ti content on achieving development of mechanical properties and wear resistance of CoCrFeNiMoTix high entropy alloy. J Mater Res Tech. 2024;29:5447-5463. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.03.018
20. Wang X,  Zhang A, Hou H,  Zhang Y,  Du H. Microstructural characteristics, mechanical properties and wear behavior of CuCrFeNiTi0.8Al1.2 high entropy alloy. J Mater Res Tech. 2025;35:7273-7281. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.03.036
21. Datta T, Manna I, Majumdar JD. Synthesis of equiatomic CoCrFeMnTiNi multicomponent alloy by sequential alloying using mechanical alloying and vacuum arc melting. J Mater Eng Perf. 2024;33:5413-5421. https://doi.org/10.1007/s11665-024-09193-0
22. Wu C, Zhang S, Han J, Zhang C, Kong F. Study on the microstructure and mechanical properties of non-equimolar NiCoFeAlTi high entropy alloy doped with trace elements. Metals 2023;13:646. https://doi.org/10.3390/met13040646
23. Zhang M,  Zhang L,  Fan J,  Yu P,  Li G. Novel Co-free CrFeNiNb0.1Tix high-entropy alloys with ultra high hardness and strength. Mater Sci Eng A 2019;764:138212. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138212
24. Yurchenko N, Stepanov N, Salishchev G. Laves-phase formation criterion for high-entropy alloys. Mater Sci Tech. 2016;33:1-6. https://doi.org/10.1080/02670836.2016.1153277
25. Yeh JW, Chen SK, Lin SJ, Gan JY, Chin TS, Shun TT, et al. Nanostructured high-entropy alloys multiple principal elements: novel alloy design concepts and outcomes. Adv Eng Mater. 2004;6:299-303. https://doi.org/10.1002/adem.200300567
26. Zhang Y, Hou W, Yu J, Chen C, Zhou L. The role of carbon in wear resistance of CoCrFeNiTi0.5 high-entropy alloy layer. J Mater Eng Perform. 2025;34:1417-1429. https://doi.org/10.1007/ s11665-023-09101-y
27. Lentzaris K, Poulia A, Georgatis E, Lekatou AG, Karantzalis AE. Analysis of microstructure and sliding wear behavior of Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5 high-Entropy Alloy. J Mater Eng Perform. 2018;27:5177-5186. https://doi.org/10.1007/s11665-018-3374-y
28. Gwalani B, Ayyagari AV, Choudhuri D, Scharf T, Mukherjee S, Gibson M, et al. Microstructure and wear resistance of an intermetallic-based Al0.25Ti0.75CoCrFeNi high entropy alloy. Mater Chem Phys. 2018;210:197–206. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2017.06.034
29. Liang X, Su Y, Yang T, Dai Z, Wang Y, Yong X. Study on the wear resistance and mechanism of AlCrCuFe2NiTix high-entropy surfacing alloys. J Alloys Compd. 2024;971:172510. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.172510
 
 
مواد پیشرفته در مهندسی

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 11 شهریور 1405

تحت نظارت وف بومی