High entropy alloys, which is a new type of alloy in which 5 or more elements are mixed at a high atomic fraction, are attracting attention as new alloys with excellent mechanical properties due to their severe lattice distortion and low diffusion rate. In recent years, refractory high entropy alloys with BCC structure have been discovered to exhibit excellent mechanical properties at high temperatures, and the possibility of replacing the conventional Ni-based superalloy with refractory high entropy alloy was presented. However, refractory high entropy alloys with BCC structure have difficulties in applying to high temperature structural materials due to their limitations such as brittleness under tensile load, poor oxidation resistance and their expensive prices.
In this study, high entropy superalloys were fabricated by fusing the precipitation strengthening principle in the Ni-based superalloys to the FCC high entropy alloys that exhibit excellent ductility. In order to improve the mechanical properties at elevated temperature, dispersion strengthening was applied by dispersion of yttria particles, and a new alloy with composite of yttria and high entropy alloy was fabricated. In the manufacturing process, a powder metallurgy process which can simultaneously obtain the mechanical alloying of high entropy superalloy and the dispersion of yttria particles without any additional process is adopted. Alloy powders produced by the planetary high energy ball milling machine were sintered by spark plasma sintering method, and microstructural analysis and mechanical properties characterization were conducted. Mechanical properties were evaluated by tensile strength tests at room temperature, 600℃, 700℃, 800℃, and 1000℃. As a result, in the case of the alloy with 1% vol.% of yttria, specific yield strength value showed higher value than commercial Ni-based superalloy, Inconel 718 at temperature up to 700℃. The strengthening mechanisms of the fabricated ODS HESA was investigated by dispersion strengthening and grain boundaries strengthening effect.
This study suggests the possibility of oxide dispersion strengthening in the study of high entropy superalloys, and it is hoped that it will be the basis of research for replacing pre-existing Ni-base superalloys.
하이엔트로피 합금은 5개 이상의 원소가 높은 원자분율로 혼합된 새로운 형태의 합금으로, 격자 뒤틀림, 낮은 확산 속도 등으로 인해 우수한 기계적 특성을 가지는 신합금으로 주목 받고 있다. 특히, 최근에는 고온에서 우수한 기계적 물성을 나타내는 체심입방정 구조의 내열 하이엔트로피 합금들이 발견되어, 하이엔트로피 합금의 기존 니켈기 초내열합금 대체 가능성이 대두되었고 이에 대한 활발한 연구가 진행되었다. 그러나 체심입방정 구조의 내열 하이엔트로피 합금들은 인장 하중 하에서의 강한 취성, 고온영역에서 산화 취약성 그리고 고가의 구성원소 등의 한계로 고온용 구조재료로서의 응용에 어려움을 겪고 있다.
이에 본 연구에서는 우수한 연성을 나타내는 면심입방정 구조의 하이엔트로피 합금에 기존의 니켈기 초내열합금에서의 석출 강화 원리를 융합하여 하이엔트로피 초내열합금을 제조하였다. 또한, 고온에서의 기계적 물성을 향상시키기 위해 이트리아 입자의 분산을 통한 분산강화 원리를 적용하여 하이엔트로피 합금에 이트리아를 복합화한 신합금을 제조하였다. 제조공정으로는 추가적인 공정 없이도 하이엔트로피 초내열 합금의 기계적 합금화와 이트리아 입자의 분산을 동시에 얻어낼 수 있는 분말야금 공정을 채택하였다. 플라네터리 고에너지 볼밀링 장비를 이용해 제조된 합금 분말은 방전 플라즈마 소결법을 통해 소결하여 미세조직 분석과 기계적 특성평가를 진행하였다. 기계적 특성 평가는 진행되었으며 상온과 섭씨 600, 700, 800, 1000도의 고온 영역에서의 인장 강도 시험을 통해 진행하였고, 그 결과 1%의 부피분율의 이트리아가 첨가된 함금의 경우 상온에서 섭씨 700도까지의 영역에서 기존의 상용화된 니켈기 초내열합금인 Inconel 718 보다 향상된 비강도를 나타내었다. 제조된 산화물 분산 강화 하이엔트로피 초내열 합금의 상온에서의 강화기구는 분산 강화와 결정입계 강화 기구를 통해 분석하였다.
본 연구가 앞으로의 하이엔트로피 초내열합금 연구에 있어 산화물 분산 강화의 가능성을 제시할 뿐만 아니라 기존의 니켈기 초내열 합금의 대체를 위한 연구의 밑거름이 되길 기원한다.
