Unlike conventional alloys synthesized with one main element with addition of minor elements, High entropy alloys (HEAs) consist of more than five metallic elements with equi- or near equi-atomic ratio. Due to the characteristics of the high entropy alloys; High configurational entropy, lattice distortion, atomic size difference and cocktail effect, the HEAs exhibit excellent mechanical properties and be noted as novel materials. Since the concept of the HEAs was established, a variety of the researches to find new HEAs system have been conducted. Especially, HEAs system consisted with refractory elements of high melting point (W, Ta, etc.) are widely studied due to the high potential of HEAs to replace the refractory Ni-Superalloys. However, the fabricate process of refractory HEAs is only focused to the arc-melting and casting process which has following problems: inhomogeneous microstructure come from segregation of alloy elements, grain coarsening during the cooling.
Therefore, in this study, to enhance the mechanical properties and homogenize the microstructure, powder metallurgical process was applied to fabricate the refractory HEAs. In case of this process, precise composition control is possible compared with the melting process. Mechanical alloying and spark plasma sintering process were carried out to obtain homogeneous microstructure with enhanced mechanical properties of fabricated HEAs. Here, two refractory HEA system of WNbTaVMo and WNbTiVMo was produced and characterized. WNbTaVMo system is known for the best mechanical property at elevated temperature, but it has high density, low elongation at room temperature with expensive cost of raw materials. To resolve these weakness, in terms of density and cost of raw materials, WNbTiVMo system was newly designed and developed.
Mechanical alloying behavior was analyzed by the X-ray diffraction patterns and the cross sectional microstructure of the HEA powders. To reduce the contaminations during the mechanical alloying, minimum time of mechanical alloying was conducted. The mechanical properties of fabricated bulk specimen was evaluated by Vickers hardness test and compressive test and as a result, it was obvious that the HEAs fabricated by powder metallurgical process exhibit enhanced mechanical properties than those of arc-melting and casting process.
Based on this study of fabricate refractory HEAs with powder metallurgical process, it is expected to be applied for further researches of finding new refractory high entropy alloy and maximizing the mechanical properties by introducing reinforcements.
5가지 이상의 합금 원소를 동일하거나, 거의 동일한 분율로 설계된 하이엔트로피 합금은 고유의 높은 배열엔트로피, 격자 뒤틀림 및 합금 원소 크기 차이 등의 효과에 의하여 기존 합금들에 비해 기계적 특성이 우수한 신합금으로 주목받고 있다. 이에 따라 다양한 하이엔트로피 합금 조성에 대하여 폭넓은 연구가 진행되고 있으며, 특히 2011년 이후에는 고온 강도에 초점을 맞춘 고융점 원소로 이루어진 내열 하이엔트로피 합금에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 이러한 내열 하이엔트로피 합금의 제조 방법은 아크용융법에 국한되어 있는 실정이며, 아크용융법의 경우 합금 원소들의 편석으로 인한 불균일한 미세조직, 결정립 조대화 등의 단점이 발생한다.
따라서 본 연구에서는 미세조직의 균일화와 결정립 미세화에 따른 기계적 특성 향상을 위해 고융점 원소로 이루어진 내열 하이엔트로피 합금에 대하여, 기계적 합금화와 방전플라즈마 소결을 통한 합금 분말과 소결체의 제조 공정 및 특성 평가에 대한 연구를 최초로 수행하였다. 연구를 수행한 하이엔트로피 합금 조성으로는, 고온특성이 가장 우수하다고 알려진 WNbTaVMo 합금조성, 그리고 이 합금조성의 단점인 높은 밀도를 낮추면서 동시에 원료 분말 단가측면에서 유리한 WNbTiVMo 합금조성이 포함된다. 원료 분말들을 동일한 몰 분율로 제어하고, 균일한 미세조직과 미세한 결정립을 가지는 분말을 제조하기 위해 플라나터리 고 에너지 볼 밀링 장비를 이용하여 하이엔트로피 합금 분말을 제조하였다. 하이엔트로피 합금의 소결 시편은 상대 밀도와 기계적 특성 측면에서 유리한 방전 플라즈마 소결을 통해 제조되었다. 하이엔트로피 합금 분말에 대한 기계적 합금화 거동은 분말의 결정구조 분석과 단면 분석을 통하여 해석되었다. 또한 분말공정을 적용한 하이엔트로피 합금 제조 공정에서 필연적으로 유발되는 오염을 최소화하기 위하여 기계적 합금화 시간을 최소화하였다. 제조된 소결체의 기계적 특성 평가는 비커스 경도와 압축 강도 시험을 통해 진행되었으며, 그 결과 아크용융법으로 제조된 하이엔트로피 합금들에 비해 향상된 기계적 특성을 보였다. 분말공정으로 제조된 하이엔트로피 합금의 강화 기구는 미세조직과 수식적 접근을 통해 분석되었다.
본 연구가 분말공정을 적용하여 고온 특성이 향상된 내열 하이엔트로피 합금의 제조 공정 확립 뿐 만 아니라 분말공정의 이점인 석출물이나 분산상의 도입을 통한 기계적 특성 극대화 및 강화기구 분석에 대한 연구의 밑거름이 되길 기대한다.
