Céramique

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21486 (2022) Citer cet article

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CoCrFeNi est un alliage à haute entropie (HEA) cubique à faces centrées (fcc) bien étudié qui présente une excellente ductilité mais seulement une résistance limitée. La présente étude se concentre sur l'amélioration de l'équilibre résistance-ductilité de ce HEA par l'ajout de quantités variables de SiC en utilisant une voie de fusion à l'arc. Le chrome présent dans la base HEA entraîne la décomposition du SiC lors de la fusion. Par conséquent, l'interaction du carbone libre avec le chrome entraîne la formation in situ de carbure de chrome, tandis que le silicium libre reste en solution dans le HEA de base et/ou interagit avec les éléments constitutifs du HEA de base pour former des siliciures. Les changements dans les phases microstructurales avec la quantité croissante de SiC suivent la séquence : fcc → fcc + eutectique → fcc + plaquettes de carbure de chrome → fcc + plaquettes de carbure de chrome + siliciures → fcc + plaquettes de carbure de chrome + siliciures + globules/flocons de graphite. En comparaison avec les alliages conventionnels et à haute entropie, les composites résultants présentent une très large gamme de propriétés mécaniques (limite d'élasticité de 277 MPa avec plus de 60 % d'allongement à 2 522 MPa avec 6 % d'allongement). Certains des composites à haute entropie développés ont montré une combinaison exceptionnelle de propriétés mécaniques (limite d'élasticité de 1 200 MPa avec 37 % d'allongement) et ont occupé des régions auparavant inaccessibles dans une carte de limite d'élasticité par rapport à l'allongement. En plus de leur allongement important, la dureté et la limite d'élasticité des composites HEA se situent dans la même plage que celles des verres métalliques massifs. On pense donc que le développement de composites à haute entropie peut aider à obtenir des combinaisons exceptionnelles de propriétés mécaniques pour des applications structurelles avancées.

La conception d’alliages à haute entropie est un nouveau concept prometteur dans le domaine de la métallurgie1,2. Il a été démontré que les alliages à haute entropie (HEA) présentent dans certains cas une combinaison exceptionnelle de propriétés physiques et mécaniques, notamment une stabilité thermique élevée3,4, un allongement superplastique5,6, une résistance à la fatigue7,8, une résistance à la corrosion9,10,11, une excellente usure12, 13,14,15 et propriétés tribologiques15,16,17 et bonnes performances mécaniques même à hautes températures18,19,20,21,22 et températures cryogéniques23,24,25. Des combinaisons exceptionnelles de propriétés mécaniques dans les HEA sont généralement attribuées à la présence de quatre effets principaux, à savoir une entropie configurationnelle élevée, une distorsion sévère du réseau, une diffusion lente et des effets cocktail. Les HEA sont généralement caractérisés comme étant de type FCC, BCC et HCP. Les HEA FCC contiennent généralement des éléments de transition tels que Co, Cr, Fe, Ni et Mn, et présentent une excellente ductilité (même dans des conditions cryogéniques25) mais ont une faible résistance. Les HEA BCC sont généralement constitués d'éléments à haute densité, tels que W, Mo, Nb, Ta, Ti et V, qui présentent une résistance très élevée, mais ont une faible ductilité et une faible résistance spécifique30.

Les modifications microstructurales des HEA basées sur le traitement mécanique, le traitement thermomécanique et les ajouts élémentaires ont été explorées afin d'obtenir de meilleures combinaisons de propriétés mécaniques. Une déformation plastique sévère du CoCrFeMnNi FCC HEA par torsion à haute pression s'est avérée entraîner une augmentation importante de la dureté (520 HV) et de la résistance (1950 MPa), mais le développement d'une microstructure nanocristalline (~ 50 nm) a rendu l'alliage fragile31. L'introduction de la plasticité induite par le jumelage (TWIP) et de la plasticité induite par la transformation (TRIP) au CoCrFeMnNi HEA s'est avérée conférer une bonne capacité d'écrouissage, ce qui se traduit par une grande ductilité en traction, bien qu'au prix de faibles valeurs de véritable résistance à la traction ultime. (1124MPa)32. L'utilisation du grenaillage pour développer une microstructure hiérarchique (constituée d'une fine couche déformée et d'un noyau non déformé) dans un CoCrFeMnNi HEA a entraîné une augmentation de la résistance, mais l'amélioration a été limitée à seulement environ 700 MPa33. Le développement d'alliages multiphasés à haute entropie et d'alliages eutectiques à haute entropie utilisant des ajouts élémentaires non équiatomiques a également été exploré dans la recherche de matériaux offrant de meilleures combinaisons de résistance et de ductilité. . Il a en effet été constaté qu'une fine répartition des phases dures et molles dans les alliages eutectiques à haute entropie aboutissait à des combinaisons relativement meilleures de résistance et de ductilité .