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Early Material Damage in Equimolar CrMnFeCoNi in Mixed Oxidizing/Sulfiding Hot Gas Atmosphere
(2022)
The challenges to use more varied fuels at medium and high temperatures above 500 °C need to be addressed by tuning the materials towards a better resistance against increased corrosion. As a first step the corrosion processes need to be better understood, especially in the case of the unavoidable and highly corrosive sulfur-based gases. In this work oxidation/sulfidation of an equimolar CrMnFeCoNi high entropy alloy is studied at an early stage after hot gas exposure at 600 °C for 6 h in 0.5% SO2 and 99.5% Ar. The oxidation process is studied by means of x-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy and supported by thermodynamic calculations. It is found that the sulfur does not enter the bulk material but interacts mainly with the fast-diffusing manganese at grain boundary triple junctions at the alloy surface. Sub-micrometer scaled Cr-S-O rich phases close to the grain boundaries complete the sulfur-based phase formation. The grains are covered in different Fe, Mn and Cr based spinels and other oxides.
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.
Hochentropie Legierungen (engl. High Entropy Alloys, HEAs) sind eine relativ neue Werkstoffklasse. Seit ersten Veröffentlichungen im Jahr 2004, steigt das Forschungsinteresse an diesem Werkstoffkonzept stetig an. Im Gegensatz zu herkömmlichen Legierungen bestehen HEAs aus fünf Legierungselementen in äquiatomaren Gleichgewicht. Der Hochentropie-Effekt ist dabei u.a. auf die erhöhte Konfigurationsentropie zurückzuführen, der die Mischkristallbildung fördert. Viele HEAs weisen aufgrund hervorragender struktureller Eigenschaftskombinationen von sehr tiefen bis zu hohen Temperaturen enormes Anwendungspotential auf. Für ihre Anwendung als reale Bauteile stellt sich aber die zentrale Frage der Anwendbarkeit von trennenden Fertigungstechnologien für HEAs. Dies findet in der bisherigen weltweiten Materialforschung bisher kaum Beachtung. Für die Forderung nach wirtschaftlicher Bauteilfertigung ist für potenzielle Anwendungsbereiche, bspw. in der Energietechnik, eine zuverlässige und sichere Verarbeitung von wesentlicher Bedeutung. Fräsen ist dabei ein Standardprozess für die zerspanende Bearbeitung von Metallen. Der vorliegende Beitrag stellt Ergebnisse durchgeführter Zerspanbarkeitsanalysen vor. Diese konzentriert sich auf die aus dem Fräsprozesse resultierende Oberflächenintegrität an einem sogenannten „Cantor-HEA“ (mit der Zusammensetzung Co20Cr20Fe20Mn20Ni20). Hierfür wurden Untersuchungen mit konventionellem Kugelkopffräsen durchgeführt und mit dem an der BAM Berlin verfügbaren innovativen Hybridverfahren, dem ultraschallunterstützten Fräsen (engl. Ultrasonic Assisted Milling, USAM), verglichen. USAM verspricht dabei eine geringere Degradation der Oberflächeneigenschaften aufgrund geringerer Belastungen auf die Werkstückoberfläche beim Spanen. Dazu wurden grundlegende Fräsparameter (Schnittgeschwindigkeit und Zahnvorschub) systematisch variiert und während der Fräsexperimente die Zerspankräfte gemessen, deren anschließende Analyse ein Verständnis für die mechanischen Beanspruchungen ermöglicht, die auf Werkzeug und Bauteiloberfläche wirken. Diese Beanspruchungen bedingen eine topographische, mechanische und mikrostrukturelle Beeinflussung der Oberfläche und letztlich der Oberflächenintegrität. Zur deren Charakterisierung wurden Licht- und Rasterelektronen-mikroskopie eingesetzt, sowie die Rauheit mittels 3D-Mikroskop und die Eigenspannungen mittels Röntgendiffraktion gemessen. Die Ergebnisse belegen einen signifikanten den positiven Effekt beim USAM, insbesondere durch reduzierte Zerspankräfte im Vergleich zum konventionellen Kugelkopffräsen. Dies führt zu geringerer mechanischer Beanspruchung von Werkzeug und Oberfläche verbunden mit geringeren Zugeigenspannungen an und unter der Oberfläche und bewirkt schließlich eine wesentlich höhere Oberflächenintegrität.