نشریه علوم و مهندسی سطح

نشریه علوم و مهندسی سطح

بررسی متغیرهای فرآیند رسوب‌نشانی مستقیم لیزری آلیاژ انتروپی بالای Al0.5CoCrFeNiNb0.5-Si0.1 روی زیرلایه اینکونل 718

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه علم و صنعت ایران
2 دانشگاه صنعتی مالک اشتر
چکیده
در این پژوهش، آلیاژ انتروپی بالای جدید Al0.5CoCrFeNiNb0.5-Si0.1 با استفاده از روش آلیاژسازی مکانیکی سنتز و پودر حاصله با روش رسوب‌نشانی مستقیم لیزری روی اینکونل 718 پوشش‌دهی شد. برای تشکیل پوششی مطلوب، اثر متغیرهای فرآیند روکش‌کاری لیزری شامل توان لیزر، نرخ تغذیه پودر و سرعت روبش لیزر با استفاده از 24 گروه آزمایشی بررسی گردید. برای مشخصه‌یابی پودرهای سنتزی از آزمون پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مجهز به طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDS) و جهت بررسی مشخصات هندسی و درصد آمیختگی روکش‌های تک‌پاس از میکروسکوپ نوری استفاده گردید. الگوی XRD پودر سنتزی نشان داد که یک محلول جامد تک‌فاز BCC پس از 30 ساعت آسیاب‌کاری تشکیل شد. تصاویر SEM نیز نشان‌دهنده تشکیل محلول جامد پس از 30 ساعت آلیاژسازی مکانیکی در نمونه‌ بوده و نتایج EDS سازگاری ترکیب شیمیایی اسمی آلیاژ موردنظر را با نمونه سنتزی تأیید نمود. بررسی تصاویر میکروسکوپ نوری و محاسبات هندسی روکش‌های تک‌پاس نشان داد که افزایش توان لیزر و کاهش سرعت روبش منجر به افزایش عرض پوشش گردید. ارتفاع روکش‌های تک‌پاس نیز با کاهش سرعت روبش و افزایش نرخ تغذیه پودر افزایش یافت. هم‌چنین، از میان متغیرهای موردبررسی، توان لیزر بیش‌ترین تأثیر را روی مقدار عمق نفوذ و آمیختگی داشت. به‌طور کلی نتایج نشان داد که شرایط مطلوب برای رسوب‌نشانی مستقیم لیزری آلیاژ انتروپی بالا روی اینکونل 718 در توان W 500، نرخ تغذیه mg/s 100 و سرعت روبش mm/s 4 حاصل می‌گردد.
کلیدواژه‌ها

[1]         J.W. Yeh, S.K. Chen, S.J. Lin, J.Y. Gan, T.S. Chin, T.T. Shun, C.H. Tsau, S.Y. Chang, Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: Novel alloy design concepts and outcomes, Adv Eng Mater 6 (2004) 299–303. https://doi.org/10.1002/adem.200300567.
[2]         B. Cantor, I.T.H. Chang, P. Knight, A.J.B. Vincent, Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys, Materials Science and Engineering: A 375–377 (2004) 213–218. https://doi.org/10.1016/J.MSEA.2003.10.257.
[3]         W.B. Liao, H. Zhang, Z.Y. Liu, P.F. Li, J.J. Huang, C.Y. Yu, Y. Lu, High Strength and Deformation Mechanisms of Al0.3CoCrFeNi High-Entropy Alloy Thin Films Fabricated by Magnetron Sputtering, Entropy 21 (2019) 146. https://doi.org/10.3390/E21020146.
[4]         S. Xia, Y. Zhang, Deformation mechanisms of Al0.1CoCrFeNi high entropy alloy at ambient and cryogenic temperatures, Materials Science and Engineering: A 733 (2018) 408–413. https://doi.org/10.1016/J.MSEA.2018.07.073.
[5]         M. Jadhav, S. Singh, M. Srivastava, G.S. Vinod Kumar, An investigation on high entropy alloy for bond coat application in thermal barrier coating system, J Alloys Compd 783 (2019) 662–673. https://doi.org/10.1016/J.JALLCOM.2018.12.361.
[6]         L. Gao, W. Liao, H. Zhang, J.U. Surjadi, D. Sun, Y. Lu, Microstructure, Mechanical and Corrosion Behaviors of CoCrFeNiAl0.3 High Entropy Alloy (HEA) Films, Coatings 7 (2017) 156. https://doi.org/10.3390/COATINGS7100156.
[7]         W. Huo, F. Fang, X. Liu, S. Tan, Z. Xie, J. Jiang, Fatigue resistance of nanotwinned high-entropy alloy films, Materials Science and Engineering: A 739 (2019) 26–30. https://doi.org/10.1016/J.MSEA.2018.09.112.
[8]         J. Joseph, N. Haghdadi, K. Shamlaye, P. Hodgson, M. Barnett, D. Fabijanic, The sliding wear behaviour of CoCrFeMnNi and AlxCoCrFeNi high entropy alloys at elevated temperatures, Wear 428–429 (2019) 32–44. https://doi.org/10.1016/J.WEAR.2019.03.002.
[9]         S. Praveen, H.S. Kim, High-Entropy Alloys: Potential Candidates for High-Temperature Applications – An Overview, Adv Eng Mater 20 (2018) 1700645. https://doi.org/10.1002/ADEM.201700645.
[10]       I. Alam, M.A. Adaan-Nyiak, A.A. Tiamiyu, Revisiting the phase stability rules in the design of high-entropy alloys: A case study of quaternary alloys produced by mechanical alloying, Intermetallics (Barking) 159 (2023) 107919. https://doi.org/10.1016/J.INTERMET.2023.107919.
[11]       P. Kumari, A.K. Gupta, R.K. Mishra, M.S. Ahmad, R.R. Shahi, A Comprehensive Review: Recent Progress on Magnetic High Entropy Alloys and Oxides, J Magn Magn Mater 554 (2022) 169142. https://doi.org/10.1016/J.JMMM.2022.169142.
[12]       C. Zhang, S. Chen, L. Zhou, M. Wei, J. Liang, C. Liu, M. Wang, Effects of carbon fibers on the microstructure and properties of laser cladding 24CrNiMoY alloy steel, J Manuf Process 62 (2021) 337–347. https://doi.org/10.1016/J.JMAPRO.2020.12.041.
[13]       L. Zhu, P. Xue, Q. Lan, G. Meng, Y. Ren, Z. Yang, P. Xu, Z. Liu, Recent research and development status of laser cladding: A review, Opt Laser Technol 138 (2021) 106915. https://doi.org/10.1016/J.OPTLASTEC.2021.106915.
[14]       Z. Gu, S. Xi, C. Sun, Microstructure and properties of laser cladding and CoCr2.5FeNi2Tix high-entropy alloy composite coatings, J Alloys Compd 819 (2020) 152986. https://doi.org/10.1016/J.JALLCOM.2019.152986.
[15]       H. Zhang, Y. Pan, Y. Zhang, G. Lian, Q. Cao, J. Yang, Sensitivity Analysis for Process Parameters in Mo2FeB2 Ternary Boride Coating by Laser Cladding, Coatings 12 (2022) 1420. https://doi.org/10.3390/COATINGS12101420.
[16]       J. Zeng, G. Lian, M. Feng, Z. Lin, Inclined shaping quality and optimization of laser cladding, Optik (Stuttg) 266 (2022) 169598. https://doi.org/10.1016/J.IJLEO.2022.169598.
[17]       X. Wen, X. Cui, G. Jin, Y. Liu, Y. Zhang, Y. Fang, In-situ synthesis of nano-lamellar Ni1.5CrCoFe0.5Mo0.1Nbx eutectic high-entropy alloy coatings by laser cladding: Alloy design and microstructure evolution, Surf Coat Technol 405 (2021) 126728. https://doi.org/10.1016/J.SURFCOAT.2020.126728.
[18]       S. Zhang, B. Han, T. Zhang, Y. Chen, J. Xie, Y. Shen, L. Huang, X. Qin, Y. Wu, K. Pu, High-temperature solid particle erosion characteristics and damage mechanism of AlxCoCrFeNiSi high-entropy alloy coatings prepared by laser cladding, Intermetallics (Barking) 159 (2023) 107939. https://doi.org/10.1016/J.INTERMET.2023.107939.
[19]       Q. Chao, T. Guo, T. Jarvis, X. Wu, P. Hodgson, D. Fabijanic, Direct laser deposition cladding of AlxCoCrFeNi high entropy alloys on a high-temperature stainless steel, Surf Coat Technol 332 (2017) 440–451. https://doi.org/10.1016/J.SURFCOAT.2017.09.072.
[20]       F. Shu, B. Zhang, T. Liu, S. Sui, Y. Liu, P. He, B. Liu, B. Xu, Effects of laser power on microstructure and properties of laser cladded CoCrBFeNiSi high-entropy alloy amorphous coatings, Surf Coat Technol 358 (2019) 667–675. https://doi.org/10.1016/J.SURFCOAT.2018.10.086.
[21]       Y. Sun, M. Hao, Statistical analysis and optimization of process parameters in Ti6Al4V laser cladding using Nd:YAG laser, Opt Lasers Eng 50 (2012) 985–995. https://doi.org/10.1016/J.OPTLASENG.2012.01.018.
[22]       F. Yao, J. Li, L. Fang, Z. Ming, Effect of Ultrasonic Vibration Frequency on Ni-Based Alloy Cladding Layer, Coatings 12 (2022). https://doi.org/10.3390/coatings12091305.
[23]       L. Guo, D. Xiao, W. Wu, S. Ni, M. Song, Effect of Fe on microstructure, phase evolution and mechanical properties of (AlCoCrFeNi)100-xFex high entropy alloys processed by spark plasma sintering, Intermetallics (Barking) 103 (2018) 1–11. https://doi.org/10.1016/J.INTERMET.2018.09.011.
[24]       O. Maulik, V. Kumar, Synthesis of AlFeCuCrMgx (x = 0, 0.5, 1, 1.7) alloy powders by mechanical alloying, Mater Charact 110 (2015) 116–125. https://doi.org/10.1016/J.MATCHAR.2015.10.025.
[25]       J.W. Yeh, Alloy design strategies and future trends in high-entropy alloys, The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society 65 (2013) 1759–1771. https://doi.org/10.1007/s11837-013-0761-6.
[26]       K.B. Zhang, Z.Y. Fu, J.Y. Zhang, W.M. Wang, S.W. Lee, K. Niihara, Characterization of nanocrystalline CoCrFeNiTiAl high-entropy solid solution processed by mechanical alloying, J Alloys Compd 495 (2010) 33–38. https://doi.org/10.1016/J.JALLCOM.2009.12.010.
[27]       R. Bhattacharya, M. Annasamy, P. Cizek, M. Kamaraj, G.M. Muralikrishna, P. Hodgson, D. Fabijanic, B.S. Murty, Evolution of phase constitution with mechanical alloying and spark plasma sintering of nanocrystalline AlxCoCrFeNi (x = 0, 0.3, 0.6, 1 mol) high-entropy alloys, J Mater Res 37 (2022) 959–975. https://doi.org/10.1557/S43578-021-00483-0/METRICS.
[28]       A. Kumar, A.K. Swarnakar, M. Chopkar, Phase Evolution and Mechanical Properties of AlCoCrFeNiSix High-Entropy Alloys Synthesized by Mechanical Alloying and Spark Plasma Sintering, Journal of Materials Engineering and Performance 27 (2018) 3304–3314. https://doi.org/10.1007/S11665-018-3409-4.
[29]       C. Suryanarayana, Mechanical alloying and milling, Prog Mater Sci 46 (2001) 1–184. https://doi.org/10.1016/S0079-6425(99)00010-9.
[30]       Y. Li, K. Wang, H. Fu, X. Zhi, X. Guo, J. Lin, Prediction for dilution rate of AlCoCrFeNi coatings by laser cladding based on a bp neural network, Coatings 11 (2021). https://doi.org/10.3390/coatings11111402.
[31]       L. Costa, I. Felde, T. Réti, Z. Kálazi, R. Colaço, R. Vilar, B. Vero, A simplified semi-empirical method to select the processing parameters for laser clad coatings, in: Materials Science Forum, 2003. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.414-415.385.
[32]       P. Shayanfar, H. Daneshmanesh, K. Janghorban, Parameters Optimization for Laser Cladding of Inconel 625 on ASTM A592 Steel, Journal of Materials Research and Technology 9 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.05.094.
[33]       M. Dalaee, E. Cerrutti, I. Dey, C. Leinenbach, K. Wegener, Parameters Development for Optimum Deposition Rate in Laser DMD of Stainless Steel EN X3CrNiMo13-4, Lasers in Manufacturing and Materials Processing 9 (2022). https://doi.org/10.1007/s40516-021-00161-3.
[34]       Q. Li, J. Chen, X. Wang, Y. Liu, K. Jiang, S. Yang, Y. Liu, Process, microstructure and microhardness of GH3039 superalloy processed by laser metal wire deposition, J Alloys Compd 877 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160330.
[35]       W. Aiyiti, W. Zhao, B. Lu, Y. Tang, Investigation of the overlapping parameters of MPAW‐based rapid prototyping, Rapid Prototyp J 12 (2006) 165–172. https://doi.org/10.1108/13552540610670744.