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High-entropy alloys (HEAs) are innovative high-performance materials that have attracted more and more research attention. HEAs are characterized by a solid solution of typically five equiatomic metallic elements. In addition, medium-entropy alloys (MEA, with three elements) are of interest and become more and more important. Depending on the alloy concept, HEAs and MEAs show exceptional mechanical properties, especially high-strength and ductility combinations at both cryogenic and elevated temperatures combined with excellent corrosion resistance. Future structural HEA/MEA components can be exposed to potential applications with hydrogen containing environments like high-temperature water in pressurized nuclear reactors or aerospace structures. Other potential applications could be in materials for vessel walls in the field of cryogenic and high-pressure hydrogen storage. So far, the susceptibility of HEAs/MEAs to hydrogen assisted cracking (if any) and the hydrogen diffusion is not investigated in detail yet and can limit or extend possible applications of HEA/MEA as structural materials. In our work, we focused on the hydrogen absorption, diffusion, and distribution in a HEA (CoCrFeMnNi the original Cantor-alloy) and a MEA (CoCrNi). Cathodic hydrogen charging was carried out for the hydrogen ingress, and thermal desorption analysis (TDA) revealed complex hydrogen trapping in both alloy types up to 300 °C. The absorbed total hydrogen concentrations were > 100 ppm for the HEA and > 40 ppm for MEA. In addition, the assessment of the peak deconvolution is not trivial and must consider both experimental and microstructure influences.
The new alloying concept of multi-element systems with defined entropy (HEA - High Entropy Alloy or MEA - Medium Entropy Alloy) is gaining increasing importance in materials research. Significantly improved properties or combinations of properties are shown by some HEA/MEA-systems, which have the potential to substitute conventional alloys such steels and are therefore promising for a wide range of applications, e.g., overcome of the trade-off between high strength and ductility. Thus, primarily the production and resulting microstructures of HEA as well as properties have been investigated so far. Furthermore, processing is a main issue to transfer HEA systems from the laboratory to real components, e.g., for highly stressed components. Since welding is the most important joining process for metals, it is crucial to investigate the influence of welding processing on these material properties to guarantee component integrity. Welding leads to residual stresses, which significantly affect the component integrity. Only a very few studies on the effect of welding on residual stresses in HEA and MEA weld joints are available so far. Hence, the focus of this study is the residual stress formation and distribution in a CoCrFeMnNi HEA and ternary CoCrNi MEA using two different welding processes: Tungsten Inert Gas (TIG) welding and soldi-state Friction Stir Welding (FSW). As a pathway for application of HEA in this investigation for the first time residual stress analyses in realistic near-component specimens were performed. The residual stresses were determined by X-ray diffraction (XRD) on the surfaces of top and root weld side. The results were correlated with the local welding microstructures. The results show that both FSW and TIG generate significant tensile residual stresses on the weld surfaces in and transverse to the welding direction. In the case of FSW of the CoCrFeMnNi HEA, the longitudinal residual stresses are in the range of the yield strength of approx. 300 MPa in the weld zone.
Multielement-Legierungen (MPEA – multiple pricipal element alloys) stellen eine neue Klasse von Werkstoffen dar, die aus mindestens drei äquiatomaren Legierungselementen mit jeweils einem Gehalt von 5–35 Atom-% bestehen. Somit unterscheidet sich das Legierungskonzept fundamental von konventionellen bspw. Stahl- oder Al-basierten Legierungen. In jüngster Zeit lag der Schwerpunkt auf dem Legierungs-Design der MPEA und der Überprüfung bzw. Erreichung der gewünschten Eigenschaften bzw. -kombinationen. Hierzu werden die egierungselemente gezielt ausgewählt und die Mikrostrukturen ein- und zum Teil auch mehrphasig eingestellt. Ziel sind hochinnovative MPEA mit angepassten Eigenschaften für die industrielle Anwendung. Dabei sollen insbesondere die bei konventionellen Legierungen wesentlichen Zielkonflikte, wie bspw. der Trade-off zwischen Festigkeit und Duktilität, überwunden werden. Darüber hinaus sind mechanische Eigenschaften bei sehr hohen sowie kryogenen Temperaturen bei gleichzeitig höchster Korrosionsbeständigkeit von hohem Interesse. Die Herstellung von Bauteilen erfordert dazu werkstoff- und beanspruchungsgerechte Füge- bzw. Schweißverfahren. Der Schweißeignung von MPEA wurde bis Ende 2021 nur äußert wenig Aufmerksamkeit zuteil. Die Auswirkungen durch Schweißprozesse auf die Metallurgie und die gewünschten Eigenschaften sind bisher kaum bekannt und limitieren die potenzielle Anwendbarkeit als Funktions- oder Konstruktionswerkstoffe.
In einem interdisziplinären BAM-Forschungsprojekt werden aktuell grundlegende Untersuchungen zur Schweißverarbeitung und resultierender Mikrostruktur-Anwendungseigenschafts-Beziehung verschiedener MPEA durchgeführt. Insbesondere Wärmeeinflusszone und Schweißgut sind geprägt durch eine Mikrostruktur, die aus Ungleichgewichtszuständen resultiert. Im Falle von MPEA wurde dies bisher nicht systematisch untersucht. Dazu erfolgte im Rahmen des Projektes eine umfassende Literaturauswertung zum Schweißen von MPEA und Zusammenfassung in einer umfassenden, systematischen Datenbasis. Aus diesem Grund sollen in der vorliegenden Studie die bisher bedeutsamsten Erkenntnisse zur Schweißbarkeit von MPEA systematisch nach MPEA-Typ und Schweißverfahren geordnet und mit eigenen aktuellen Forschungsergebnissen verglichen werden. Durch WIG- und Rührreibschweißversuche an den MPEA-Systemen CoCrNiFeMn bzw. CoCrNi konnten im Projektverlauf bereits wesentliche Fragestellungen beantwortet werden. Dazu zählen Auftreten bzw. Verhinderung intermetallischer Phasen/Seigerungen oder deren Auswirkung auf die Eigenschaften der Schweißverbindung (bspw. Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit).
Multi-element systems with defined entropy (HEA - High Entropy Alloy or MEA - Medium Entropy Alloy) are rather new material concepts that are becoming increasingly important in materials research and development. Some HEA systems show significantly improved properties or combinations of properties, e.g., the overcome of the trade-off between high strength and ductility. Thus, the synthesis, the resulting microstructures, and properties of HEA have been primarily investigated so far. In addition, processing is crucial to achieve a transfer of potential HEA/MEA materials to real applications, e.g. highly stressed components. Since fusion welding is the most important joining process for metals, it is of vital importance to investigate the weldability of these materials. However, this has rarely been the subject of research up to date. For that reason, in this work the weldability depending on the surface preparation of a CoCrFeMnNi-HEA and a CoCrNi-MEA for TIG welding is investigated. The fusion welding of longer plates is described here for the first time for the CoCrNi alloy. The welds of both materials showed distinct formation of cracks in the heat affected zone (HAZ). Optical and scanning electron microscopy analysis clearly confirmed an intergranular fracture topography. But based on the results, the crack mechanism cannot be conclusively clarified as either a liquid metal embrittlement (LME) or hot cracking like liquid film separation occurred.
High entropy alloys (HEA) are a new class of materials. In contrast to conventional alloys, HEA are single-phase alloys with at least five alloying elements. HEAs have enormous application potential due to (postulated) excellent structural property combinations from low to high temperatures. For HEA-application as structural materials in real components, a key issue is the suitability for joining processing. Requirements for the reliable and safe joining of these materials are crucial regarding economical component manufacture for future applications. In this context, friction stir welding (FSW) is a promising joining process due to the welding process temperature below the material melting point avoiding major issues, e. g. formation of (hard and brittle) intermetallic phases, which may have detrimental influences on the weld joint properties.
This study presents elementary research about the FSW process influences on a CoCrFeMnNi-HEA with focus on the microstructure and mechanical properties. For that purpose, the FSW joint of the HEA is compared to that of an austenitic stainless steel AISI 304. The microstructures of the welds were investigated and characterized by means of light microscopy, SEM, EBSD and XRD. Hardness and tensile testing were applied to determine influences on the mechanical properties. Generally, a comparable weldability of HEA and AISI 304 in terms of metallurgical characteristics and resulting mechanical properties exhibited. For the weld joints of both materials typical characteristics regarding FSW were observed within the weld metal and thermo-mechanically influenced zone: fine-grained stirred zone with increased hardness and reduced fracture elongation compared with the respective base material.
Hoch- und Mittelentropie-Legierungen (engl. High/Medium Entropy Alloys–HEA/MEA) sind relativ neue Werkstoffklassen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Legierungen bestehen HEA aus fünf bzw. MEA aus drei oder vier Legierungselementen im äquiatomaren Gleichgewicht. Viele HEA weisen aufgrund hervorragender struktureller Eigenschaftskombinationen von sehr tiefen bis zu hohen Temperaturen enormes Anwendungspotential auf. Die Anwendung für reale Bauteile stellt jedoch die zentrale Frage der Eignung für die fügetechnische Verarbeitung. Dieser Aspekt findet in der weltweiten Materialforschung bisher kaum Beachtung. Anforderungen an die zuverlässige und sichere fügetechnische Verarbeitung dieser Werkstoffe sind von wesentlicher Bedeutung hinsichtlich wirtschaftlicher Bauteilfertigung für spätere potenzielle Anwendungsbereiche, bspw. in der Energietechnik. Das Rührreibschweißen (engl. Friction Stir Welding–FSW) stellt hierbei einen vielversprechenden Fügeprozess dar, dessen Hauptvorteil in der Schweißprozesstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur der zu fügenden Werkstoffe liegt. Dies bedingt die Vermeidung der Ausbildung von harten, versprödenden intermetallischen Phasen, wie sie z. B. beim konventionellen Schmelzschweißen von Eisen-Aluminium-Verbindungen auftreten. Die vorliegende Arbeit stellt grundlegende Untersuchungen zur Schweißbarkeit einer CoCrFeMnNi-Legierung (HEA) und einer CoCrNi-Legierung (MEA) mit dem FSW-Prozess vor. Die Versuchsschweißungen werden mittels mikroskopischer Analysen hinsichtlich des Schweißnahtaufbaus sowie Schweißnahtfehlern charakte-risiert. FSW zeigt sich als grundlegend geeignet zur Verbindungsschweißung der HEA bzw. MEA. Anhand dieser Ergebnisse kann eine weitere Bewertung der Schweißbarkeit erfolgen.
Hoch- und Mittelentropie-Legierungen (engl. High/Medium Entropy Alloys–HEA/MEA) sind relativ neue Werkstoffklassen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Le-gierungen bestehen HEA aus fünf bzw. MEA aus drei oder vier Legierungselementen im äquiatomaren Gleichgewicht. Viele HEA weisen aufgrund hervorragender struktu-reller Eigenschaftskombinationen von sehr tiefen bis zu hohen Temperaturen enor-mes Anwendungspotential auf. Die Anwendung für reale Bauteile stellt jedoch die zentrale Frage der Eignung für die fügetechnische Verarbeitung. Dieser Aspekt findet in der weltweiten Materialforschung bisher kaum Beachtung. Anforderungen an die zuverlässige und sichere fügetechnische Verarbeitung dieser Werkstoffe sind von wesentlicher Bedeutung hinsichtlich wirtschaftlicher Bauteilfertigung für spätere po-tenzielle Anwendungsbereiche, bspw. in der Energietechnik. Das Rührreibschweißen (engl. Friction Stir Welding–FSW) stellt hierbei einen vielversprechenden Fügepro-zess dar, dessen Hauptvorteil in der Schweißprozesstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur der zu fügenden Werkstoffe liegt. Dies bedingt die Vermeidung der Ausbildung von harten, versprödenden intermetallischen Phasen, wie sie z. B. beim konventionellen Schmelzschweißen von Eisen-Aluminium-Verbindungen auf-treten. Die vorliegende Arbeit stellt grundlegende Untersuchungen zur Schweißbar-keit einer CoCrFeMnNi-Legierung (HEA) und einer CoCrNi-Legierung (MEA) mit dem FSW-Prozess vor. Die Versuchsschweißungen werden mittels mikroskopischer Analysen hinsichtlich des Schweißnahtaufbaus sowie Schweißnahtfehlern charakte-risiert. FSW zeigt sich als grundlegend geeignet zur Verbindungsschweißung der HEA bzw. MEA. Anhand dieser Ergebnisse kann eine weitere Bewertung der Schweißbar-keit erfolgen.
Characterization of Hydrogen Diffusion in a Thick-walled Submerged Arc Multi-Layer Weld Joint
(2021)
The energy production of the future will be dominated by CO2-emission free techniques like wind turbines and become essential in scope of the planned hydrogen economy. As onshore installation capacity is limited, the in-crease of the number of offshore wind turbines (OWT) is a major goal. In that connection, the OWTs continuously increase in size and weight and demand adequate foundations concepts like monopiles or tripods. These compo-nents are typically manufactured from welded mild steel plates with thickness up to 200 mm. The predominant welding technique is submerged arc welding (SAW) with up to five wires. In accordance with the standards, the occurrence of delayed hydrogen assisted cracking is anticipated by either a hydrogen removal heat treatment (HRHT) or a so-called minimum waiting time (MWT) before non-destructive testing (NDT) of the respective weld joint is allowed. The reason for the MWT is the necessary time for the hydrogen diffusion at ambient temperature due the high plate thickness. Both the effectiveness of a HRHT at elevated temperatures or the MWT at ambient temperature can be estimated by calculation of the diffusion time. This time depends on reliable hydrogen diffu-sion coefficients and these are rare in literature. For that reason, this study presents the hydrogen diffusion coef-ficients obtained from a multi-layer SAW joint of an offshore steel grade. Two different experimental techniques were used to identify the respective diffusion behavior: (1) hydrogen desorption experiments with a carrier gas hot extraction analyzer at elevated temperatures for the characterization of a HRHT and (2) the electrochemical permeation technique at ambient temperature for the characterization of an MWT. From both experiments, the respective diffusion coefficients were calculated. The obtained DCs are different from those reported in literature, i.e., the duration or applicability of a HRHT or MWT must be critically discussed.