A preliminary study of feasibility of high-entropy alloys (HEA) for application in high-temperature environment, for instance, in nuclear industry and aerospace engineering, is conducted based on the theoretical knowledge and experimental results. At the outset of our research work refractory elements were chosen as the constituents of an alloy system. There is a need to propose an efficient technique for the experimental design since there are infinite combinations of the fabricable alloys. Various methods such as artificial neural network, genetic algorithm, Taguchi method, combinatorial synthesis and other approaches were recently used to explore new materials in different disciplines. In this study a combinatorial technique was chosen to assess the refractory high entropy alloy system, $Al_x Cr_y Mo_z NbTiZr$, and narrow down until we get the candidate alloys in terms of high-temperature strength and oxidation resistance.
The combinatorial library consists of 12 different alloys with variation of Al,Cr and Mo. It
is believed that this variation will lead to examine all the alloys in view of the above-mentioned material properties. For example, changes in Al- and Cr-content enable us to see the trends in oxidation resistance, while alteration of Mo-content may forward one to observe tendency in heat resistanceof the alloy system. NbTiZr (60at%) is fixed in an equiatomic proportion (20at%) because of their thermodynamic stability within each pair.
It was found out that the combinatorial library consists of BCC crystal structure and intermetallic phases such as B2 and C14-Laves phases. At room temperature (RT) the yield strength of the library are in the range of 268.7 and 1286 MPa while at T=1000°C it is between 101.0 and 486.0 MPa. Additionally, at RT Alloy-11 (Al,Cr,Mo) = (0,20,20at%) has a plastic strain of $\varepsilon_{p}$>5% and at T=1000$^\circ C$ its yield strength was highlighted to be the largest in the combinatorial library (486.0 MPa) which is comparable with current superalloys. Moreover, a higher Mo-content (30at%) and/or absence of Al/Cr-content lead to the formation of volatile oxides (i.e. MoO3) after a prolonged oxidation test (t=20h) in a static air condition at T=1000$^\circ C$. This work revealed that combinatorial technique is the potential strategy to examine mechanical properties such as Vickers Hardness and compression strength at different temperatures along with oxidation resistance for suitability as a structural material for turbine blades, engines and GEN-IV nuclear power plant component.
원자력, 항공 우주 공학 분야에 적용하기 위한 고 엔트로피 합금(HEA)에 대한 연구가 기존의 이론적 지식과 실험 결과들을 바탕으로 진행되었다. 합금의 주요 원소들로는 내화 원소들로 선정되었다. 합금을 제조함에 있어 무한한 경우의 수가 있기 때문에, 인공 신경망, 유전 알고리즘, 다구치 (Taguchi) 방법, 조합 설계 등 최근 다른 신소재를 연구하는 데 사용되는 다양한 설계 법을 이용할 필요가 있었다. 이 연구에서는 조합 설계 법을 이용하여, 고온 강도와 내 산화성을 갖는 $Al_x Cr_y Mo_z NbTiZr$ 고 엔트로피 합금을 제조하였다. 합금 속의 Nb, Ti, Zr의 농도는 각각 20 at%로 고정하고, 내산화성에 영향을 주는 Al과 Cr, 고온 강도에 큰 영향을 주는 Mo 의 농도를 바꿔 가며 12개의 서로 다른 농도의 합금을 제조하였다. 제조된 합금들은 BCC 상과 B2, C14-Laves phases 등의 금속 간 화합물로 이루어져 있었다. 금속들의 상온 항복강도는 268.7 Mpa 에서 1286Mpa 범위에 있었으며, 1000$^\circ C$에서의 항복강도는 101.0 Mpa에서 486.0 Mpa 범위에 있었다. 특히, 합금-11 (Al, Cr, Mo) = (0,20,20 at%) 의 소성 변형은 5 % 이상이었으며, 1000$^\circ C$에서의 항복강도가 현재 사용되고 있는 super alloy에 비견될 정도인 486.0 Mpa로 12개의 금속 중 가장 높았다. Mo의 농도가 높은 합금 또는 Al, Cr의 농도가 낮은 합금은 1000$\circ$ 공기 중 산화 실험 도중 휘발성 산화물인 MoO3가 형성되었다. 이 연구는 조합 설계 법이 터빈, 엔진, 4세대 원전의 부품으로 사용될 재료의 물성 연구(내산화성, Vickers Hardness, 강도)에 활용될 수 있음을 보여준다.
