Experimental and computational assessment of high-temperature properties in ti-based high entropy alloys

Abstract

During the last two decades, high entropy alloys (HEAs) have gained noticeable attention due to their outstanding properties and potential for various applications. Within the prospective applications, due to their high melting point and high thermal stability, refractory high entropy alloys (RHEAs) are considered an alternative to Ni-based superalloys for high-temperature applications. Therefore, in order to shed light on the high-temperature properties of RHEAs, two aspects of their properties were investigated. After a brief introduction to the concepts discussed in this thesis, the oxidation behavior of four different HEAs was investigated via static oxidation experiments utilizing a variety of surface and structural characterization methods such as X-ray photon spectrometry (XPS), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM). The results suggested that three different oxidation mechanisms in these alloys are dependent on the composition, temperature, and crystal structure of the HEAs. In addition, each element's effect on these alloys' oxidation behavior was discussed. In the second part of the thesis, using atomistic simulations, the effect of the formation of chemical short-range order (CSRO) on mechanical properties was investigated in two different compositions of RHEAs. The results showed that the CSRO formation in these alloys can increase the materials' strength while maintaining the HEAs' ductility. In addition, the effect of CSROs on deformation-induced phase transformation (DIPT) was captured via atomistic simulations. To validate these results, an extensive amount of in-situ compression experiments under SEM were performed and these results validated the formation of HCP phases due to DIPT. Overall, the results and discussions in this thesis provide a better view of the high-temperature properties of the HEAs with the aim of enabling their applications at high temperatures.

Son yirmi yılda, yüksek entropili alaşımlar (HEA'lar), olağanüstü özellikleri ve çeşitli uygulama potansiyelleri nedeniyle dikkat çekici bir ilgi kazanmıştır. İleriye dönük uygulamalarda, yüksek erime noktaları ve yüksek termal stabiliteleri nedeniyle, refrakter yüksek entropi alaşımlar (RHEA) lar, yüksek sıcaklık uygulamaları için Ni Bazlı süper alaşımlara alternatif olarak kabul edilmektedir. Bu nedenle RHEA'ların yüksek sıcaklık özelliklerine ışık tutmak için özellikleri iki farklı yönden araştırıldı. Bu tezde tartışılan kavramlara kısa bir giriş yapıldıktan sonra, dört farklı HEA'nın oksidasyon davranışı, X-ışını foton spektrometresi (XPS), X-ışını kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM) gibi çeşitli yüzey ve yapısal karakterizasyon yöntemleri kullanılarak statik oksidasyon deneyleri yoluyla incelenmiştir. Sonuçlar, bu alaşımlardaki üç farklı oksidasyon mekanizmasının HEA'ların bileşimine, sıcaklığına ve kristal yapısına bağlı olduğunu göstermiştir. Ayrıca her bir elementin bu alaşımların oksidasyon davranışı üzerindeki etkisi tartışılmıştır. Tezin ikinci bölümünde atomistik simülasyonlar kullanılarak kimyasal kısa menzilli düzen (CSRO) oluşumunun HEA'ların iki farklı bileşimi üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Sonuçlar, bu alaşımlardaki CSRO oluşumunun, HEA'ların sünekliğini korurken malzemelerin mukavemetini artırabildiğini gösterdi. Ek olarak, deformasyona bağlı faz dönüşümü (DIPT) etkisi atomistik simülasyonlar aracılığıyla ortaya koyuldu. Bu sonuçları doğrulamak için SEM altında çok sayıda yerinde (in-situ) sıkıştırma deneyi yapıldı ve bu sonuçlar, DIPT etkisinin bir sonucu olarak HCP fazlarının oluşumunu doğruladı. Genel olarak, bu tezdeki sonuçlar ve tartışmalar, yüksek sıcaklıklarda uygulamalarını mümkün kılmak amacıyla HEA'ların yüksek sıcaklık özelliklerine ilişkin daha iyi bir görüş sağlamıştır.