Como átomos de policristalino Nb20.6Mo21.7Ta15.6W21.1V21.0 refratário alto

May 20, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 5183 (2022) Citar este artigo

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O mecanismo de fusão das ligas refratárias de alta entropia (RHEAs) monocristalinas e policristalinas Nb20.6Mo21.7Ta15.6W21.1V21.0 foram investigadas por meio de simulação de dinâmica molecular (MD) usando o método de átomo embutido modificado do segundo vizinho mais próximo (2NN MEAM ) potencial. Para o monocristal RHEA, o perfil de densidade exibe uma queda abrupta de 11,25 para 11,00 g/cm3 em temperaturas de 2910 a 2940 K, indicando que todos os átomos iniciam um rearranjo estrutural local significativo. Para RHEAs policristalinos, um processo de fusão em dois estágios é encontrado. No primeiro estágio de fusão, a fusão das regiões de contorno de grão (GB) ocorre primeiramente na temperatura de pré-fusão, que é relativamente menor do que o ponto de fusão do sistema correspondente. Na temperatura de pré-fusão, a maioria dos átomos de GB tem energia cinética suficiente para deixar suas posições de equilíbrio e, então, induzir gradualmente o rearranjo dos átomos de grãos próximos a GB. No segundo estágio de fusão no ponto de fusão, a maioria dos átomos de grãos tem energia cinética suficiente para se reorganizar, resultando em mudanças químicas de ordem de curto alcance de todos os pares.

Os materiais usados ​​em ambientes de trabalho extremos, como altas temperaturas ou pressões, têm uma necessidade urgente de aplicação industrial. Por exemplo, para melhorar a eficiência dos motores de turbina a gás na indústria aeroespacial, aumentar a temperatura de operação do motor é uma das maneiras mais eficazes1. No entanto, o material estrutural de alta temperatura mais comumente usado, a superliga à base de níquel, tem seu próprio ponto de fusão de cerca de 1300 °C, o que limita a temperatura operacional máxima2,3. Assim, é muito importante que o material tenha um ponto de fusão alto o suficiente4. As ligas de alta entropia (HEAs), também conhecidas como ligas de elementos múltiplos principais (MPEAs), são compostas por tipos de elementos principais com mais de quatro5. Dentro dos HEAs, todos os elementos de composição são dispostos na distribuição mais uniforme, levando a excelentes propriedades do material, incluindo alta dureza6, alta resistência e combinação de ductilidade7,8, boa resistência à fadiga9, microestrutura de alta temperatura e estabilidade mecânica10, excelentes propriedades eletromagnéticas11, excelente resistência ao desgaste12, resistência à corrosão13 e resistência à oxidação14.

Entre todos os HEAs, as ligas refratárias de alta entropia (RHEAs) geralmente têm um ou mais elementos refratários de composição, como W, Mo, Ta, Nb, Zr e Re15. Para HEAs sem elementos refratários, a baixa estabilidade de fase e baixa plasticidade em altas e médias temperaturas são dois gargalos para restringir suas aplicações em altas temperaturas. Consequentemente, os RHEAs apresentam excelente resistência a altas temperaturas, alto ponto de fusão (> 2.000 °C) e maior resistência a altas temperaturas, o que tem amplo potencial para aplicações em equipamentos de alta temperatura. Por exemplo, em 2010, o primeiro RHEA, NbMoTaW RHEA, foi fabricado por Senkov16. O limite de escoamento do NbMoTaW RHEA a 1600 °C é de 405 MPa, e o limite de temperatura de trabalho de 1600 °C é muito maior do que o das ligas de alta temperatura à base de níquel de cerca de 1300 °C. No estudo de Xia17, a estabilidade térmica do filme fino de MoNbTaVW RHEA foi estudada, e os resultados experimentais mostram que a fase de solução sólida cúbica de corpo centrado de MoNbTaVW RHEA ainda é muito estável até 1800 K. No estudo experimental de Zhang18, o mecanismo de deformação plástica de MoNbTaVW RHEA sob alta pressão foi observado. Verificou-se que o crescimento ativo das discordâncias é o principal responsável pela alta resistência no MoNbTaVW RHEA. No estudo de Yang19, eles encontraram uma maneira eficaz de melhorar a resistência à oxidação do MoNbTaVW RHEA usando revestimentos de cimentação de pacote Si/Al, que também melhoram as propriedades mecânicas do MoNbTaVW RHEA em altas temperaturas. No estudo de Nie1, os HfMoScTaZr RHEAs foram preparados por um equipamento de fusão a arco a vácuo. Ao adicionar o elemento Sc, a densidade da liga torna-se menor e a resistência e a plasticidade dos HfMoScTaZr RHEAs foram significativamente melhoradas. Os limites de escoamento de HfMoScTaZr RHEAs à temperatura ambiente, 800 °C, 1000 °C e 1200 °C são 1778, 1118, 963 e 498 MPa, respectivamente. A 1200 °C, o limite de escoamento do HfMoScTaZr RHEA é cerca de 4,3 e 6 vezes maior do que o das superligas clássicas tradicionais, Inconel 71820 e CMSX-421. Além dos tipos de elementos de composição e suas frações relacionadas, as propriedades materiais de HEAs ou ligas são significativamente afetadas pela extensão da cristalinidade. Por exemplo, no estudo de Lin22, o processo de moagem de bola fundida-prensagem a quente foi adotado para fabricar as ligas Cu3−xNixSbSe4 (x = 0–0,03) com diferentes tamanhos médios de grão. As influências do tamanho médio de grão na microestrutura e nas propriedades termoelétricas de Cu3−xNixSbSe4 foram observadas. Devido ao refinamento do grão e ao aumento do defeito de Se, a condutividade térmica da rede diminui de 3,3 W m−1 K−1 para 2,4 W m−1 K−1 à temperatura ambiente quando a fração Ni diminui de x = 0,03 para 0. Em Sun's study23, os resultados experimentais indicam que quando o tamanho de grão de CoCrFeMnNi HEA diminui de 105 μm para 650 nm a 293 K, o limite de escoamento aumentou de 225 para 798 MPa com um aumento de 254,7%. Ao mesmo tempo, a resistência à tração aumenta de 798 para 887 MPa com um aumento de 11,2%. Bhandari et ai. adotou o método da teoria do funcional da densidade (DFT) para calcular as propriedades estruturais e mecânicas do AlCrMoTiV3. De acordo com a previsão DFT, o Al30Cr10Mo5Ti20V35 RHEA tem as frações de elemento ideais para possuir uma densidade mais baixa de 5,16 g/cm3 e uma dureza maior de 5,56 GPa.