Design, production and testing of novel precipitation-hardened high-entropy alloys

A literature survey and thermodynamic computations (CALPHAD method) were conducted to formulate novel high entropy alloys (HEAs), that could be strengthened through precipitation processes. The equiatomic, face centred cubic (FCC) CoCuFeMnNi and the modified CoCuFeMnNi-2.5Ti alloys were selected and an appropriate processing route, based on cold deformation, was established. Ageing behaviour was studied, also from a kinetic point of view, and resulted in different levels of hardening for the two alloys. The ageing treatment caused profound microstructural modifications in both alloys, inducing the formation of several FCC second phases. Spinodal decomposition of the supersaturated matrix resulted in the formation of a maze-like Widmanstätten phase; moreover, spheroidal Cu-rich precipitates were found to be dispersed across the matrix. Such modifications resulted in an improvement of mechanical resistance over the alloys in solution treated condition (yielding stress increases from 208 MPa to 413 MPa in CoCuFeMnNi) maintaining an acceptable ductility (from 28.3 % to 11.3 %). Ti addition induced distortions in the microstructure of both the matrix phase and the second phases, resulting in an overall strengthening with respect to the base alloy (from 413 MPa to 585 MPa after ageing). Finally, mechanical behaviour at cryogenic temperature was addressed too.

Attraverso lo studio della letteratura scientifica e utilizzando calcoli termodinamici (metodo CALPHAD) sono state individuate nuove composizioni di leghe ad alta entropia in grado di rafforzarsi tramite meccanismi di precipitazione. Sono state quindi selezionate la lega equiatomica, con struttura cubica a facce centrate (FCC), CoCuFeMnNi e la sua variante CoCuFeMnNi-2.5Ti, che sono state lavorate attraverso un processo basato su pressatura e laminazione a freddo e su opportuni trattamenti termici. Si è studiata, anche da un punto di vista cinetico, la risposta a trattamenti di invecchiamento artificiale di entrambe le leghe che hanno mostrato un differente indurimento nel tempo. In particolare, si è notato che il processo di invecchiamento della lega arricchita in Ti, che ha indotto un maggiore incremento della durezza, è caratterizzato da una maggiore energia di attivazione, indice della possibile attivazione di differenti fenomeni di precipitazione. Questa supposizione è stata anche confermata da prove calorimetriche. L’invecchiamento ha causato importanti trasformazioni della microstruttura, inducendo la formazione di diverse fasi secondarie isomorfe rispetto alla matrice. La trasformazione spinodale della matrice ha causato uno smiscelamento periodico di Cu dalla soluzione solida sovrassatura, generando così una particolare microstruttura “a labirinto”, chiamata fase di Widmanstätten. Allo stesso tempo, processi di precipitazione hanno portato alla nucleazione di precipitati sferici ricchi in Cu dispersi uniformemente all’interno della matrice. La formazione di queste due fasi ha indotto un complessivo rafforzamento della resistenza meccanica delle leghe studiate (la resistenza a snervamento passa da 208 MPa a 413 MPa in CoCuFeMnNi), senza però ridurne significativamente la duttilità (da 28,3 % a 11,3 %). Come evidenziato dalle variazioni dei parametri di cella, la presenza di titanio nella lega modificata ha generato maggiori distorsioni sia all’interno della matrice sia nelle seconde fasi, risultando in un notevole rafforzamento rispetto alla lega di base (da 413 MPa a 585 MPa dopo invecchiamento). La presenza di ulteriori fasi secondarie contenenti Ti, benché possibile e non escludibile con certezza allo stato attuale del lavoro, non ha trovato riscontro sperimentale. Infine, il comportamento meccanico è stato valutato anche in condizioni criogeniche, confermando che, come tipico delle leghe ad alta entropia, l’abbassamento della temperatura provoca in entrambe le leghe studiate un miglioramento sia della resistenza meccanica che della duttilità.