Details

Жаропрочные высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) рассматриваются как перспективные конструкционные материалы нового поколения для работы при высоких температурах благодаря своей исключительной термической стабильности и механической прочности в таких условиях. Однако традиционные жаропрочные ВЭС часто характеризуются недостаточной стойкостью к окислению, ограниченной пластичностью при комнатной температуре и нестабильностью микроструктуры при длительном термическом воздействии, что ограничивает их практическое применение в аэрокосмической и энергетической отраслях. Среди различных систем жаропрочных ВЭС сплав CrMoWTiNb демонстрирует превосходную высокотемпературную прочность благодаря наличию в его составе тугоплавких элементов; тем не менее, присущая ему хрупкость и низкая стойкость к окислению остаются критическими проблемами, требующими решения с помощью стратегий целенаправленного легирования. В данном исследовании систематически изучается совместное влияние добавок алюминия и углерода на эволюцию микроструктуры и свойства жаропрочного высокоэнтропийного сплава на основе системы CrMoWTiNb. Порошки сплава были получены методом механического легирования (МЛ); оптимальная продолжительность помола (7,5 ч) была определена на основе анализа морфологии частиц, их гранулометрического состава и фазовых превращений. Впоследствии в состав вводили 0,25 ат.% Al для усиления твердорастворного упрочнения и повышения стойкости к окислению, а также варьировали содержание углерода (0; 0,05; 0,10 и 0,15 мас.%) для стимулирования выделения карбидов и упрочнения границ зерен. Полученные методом механического легирования порошки консолидировали в компактные образцы посредством искрового плазменного спекания (SPS), после чего проводили комплексный анализ микроструктуры, фазового состава и высокотемпературных свойств материалов. Результаты показали, что добавка алюминия эффективно стабилизирует фазу твердого раствора с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой и повышает стойкость к окислению, способствуя формированию защитной окалины, обогащенной Al₂O₃. В то же время контролируемое введение углерода приводит к выделению наноразмерных карбидных фаз, которые существенно повышают твердость и сопротивление ползучести при высоких температурах. Сплав CrMoWTiNbAl₀,₂₅ с содержанием углерода 0,10 мас.% продемонстрировал оптимальное сочетание плотности, микроструктурной однородности и термической стабильности. Данная работа позволяет глубже понять синергетический эффект легирования алюминием и углеродом в жаропрочных ВЭС и намечает практический путь создания передовых жаропрочных материалов, способных работать в экстремальных температурных условиях.

Heat-resistant high entropy alloy have emerged as promising candidates for next-generation high-temperature structural materials due to their exceptional thermal stability and mechanical strength at elevated temperatures. However, conventional heat-resistant high entropy alloy often suffer from insufficient oxidation resistance, limited room-temperature ductility, and microstructural instability during long-term thermal exposure, which restrict their practical applications in aerospace and energy systems. Among various RHEA systems, the CrMoWTiNb alloy exhibits excellent high-temperature strength owing to its high melting point elements, yet its intrinsic brittleness and poor oxidation resistance remain critical challenges that must be addressed through targeted alloying strategies. This study systematically investigates the combined influence of aluminum and carbon additions on the microstructural evolution and properties of a CrMoWTiNb-based heat-resistant high-entropy alloy. The alloy powders were synthesized via mechanical alloying (MA), with the milling duration optimized at 7.5 h based on particle morphology, size distribution, and phase development. Subsequently, 0.25 at.% Al was incorporated to enhance solid-solution strengthening and oxidation resistance, while varying carbon contents (0, 0.05, 0.10, and 0.15 wt.%) were introduced to promote carbide precipitation and grain boundary strengthening. The mechanically alloyed powders were consolidated into bulk samples via spark plasma sintering (SPS), and the resulting microstructures, phase constitutions, and high-temperature properties were comprehensively characterized. The results demonstrate that aluminum addition effectively stabilizes the body-centered cubic solid-solution phase and improves the oxidation resistance by promoting the formation of a protective Al₂O₃-rich scale. Meanwhile, controlled carbon addition leads to the precipitation of nanoscale carbide phases, which significantly enhance the hardness and high-temperature creep resistance. The CrMoWTiNbAl₀.₂₅ alloy with 0.10 wt.% carbon exhibited the optimal combination of densification, microstructural homogeneity, and thermal stability. This work provides fundamental insights into the synergistic alloying effects of Al and C in heat resistant HEAs and establishes a practical pathway for developing advanced heat-resistant materials capable of operating in extreme thermal environments.

• CHAPTER 1 LITERATURE REVIEW
  • 1.1Modern heat-resistant alloys
    • 1.1.1 Iron-based high-temperature alloys
    • 1.1.2 Nickel-based superalloy
    • 1.1.3 Cobalt-based superalloy
  • 1.2 High-entropy alloys
  • 1.3 Heat-resistant high-entropy alloys
  • 1.4 Production methods and applications of heat-re
  • 1.4.1 Production methods
    • 1.4.2 Application Areas
  • 1.5 Challenges and Future Development Trends of Hi
  • 1.5.1 Current Major Challenges
    • 1.5.2 Future Development Direction and Outlook.
• CHAPTER 2 METHODOLOGY
  • 2.1 Preparation of CrMoWTiNbAl0.25 powder
  • 2.2 Spark plasma sintering(SPS)
  • 2.3 Compression testing
• CHAPTER 3 RESULTS AND DISCUSSION
  • 3.1 Preparation and research of CrMoWTiNbAl0.25 Po
  • 3.2 Results and discussion of spark plasma sinteri
  • 3.3Results and analysis of compression tests
    • 3.3.1 Room temperature compression test
    • 3.3.2 High-temperature compression test
• CONCLUSIONS
• REFERENCES