High entropy alloys near the baseline $\mathrm{AlCrFe_{2}Ni_{2}}$ processed by laser powder bed fusion

Vogiatzief, Dimitrios; Requena, Guillermo Carlos; Bührig-Polaczek, Andreas

doi:10.18154/RWTH-2025-00665

High entropy alloys near the baseline $\mathrm{AlCrFe_{2}Ni_{2}}$ processed by laser powder bed fusion

Vogiatzief, Dimitrios^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabesubmitted by Dimitrios Vogiatzief

ImpressumAachen : Gießerei-Institut der RWTH Aachen 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheErgebnisse aus Forschung und Entwicklung

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bührig-Polaczek, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Requena, Guillermo Carlos (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-12-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-00665
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1002755/files/1002755.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
BCC (frei) ; FCC (frei) ; HEA (frei) ; LPBF (frei) ; SLM (frei) ; additive manufacturing (frei) ; high entropy alloy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Forschung zu Hochentropielegierungen intensiv zugenommen. Die Motivation für die zahlreichen Studien liegt in dem unerforschten Zusammensetzungsraum multikomponentiger Legierungen und den unerwarteten und oft außergewöhnlichen Eigenschaften, die sich daraus ergeben. Eines der vielversprechendsten Systeme ist das Al-Co-C-Fe-Ni-System. Legierungen innerhalb dieses Systems weisen einfache Kristallstrukturen wie die kubisch-raumzentrierte (BCC) und kubisch-flächenzentrierte (FCC) Struktur auf und zeigen bemerkenswerte mechanische Eigenschaften, die je nach Verarbeitungsmethode und chemischer Zusammensetzung, einschließlich des Elementgehalts von Elementen wie Aluminium und Nickel, variieren können. In letzter Zeit wurden Co-freie Legierungen wie AlCrFe2Ni2 eingeführt, die herausragende mechanische Eigenschaften aufweisen, die auf ihrer nanoskaligen Dualphasen-Mikrostruktur beruhen. Diese Ergebnisse haben den Weg für die Entwicklung neuer Legierungen ohne Cobalt geebnet, ein teures und ressourcenkritisches Element. Fast parallel zur Entwicklung von Hochentropielegierungen hat das Laserstrahlschmelzen, eine innovative additive Fertigungstechnologie, das Interesse der wissenschaftlichen Gemeinschaft geweckt, aufgrund der Einführung mehrerer Vorteile im Vergleich zur konventionellen Fertigung. Dazu gehören die Gestaltung optimierter Teile mit beispiellos komplexen Geometrien, die werkzeuglose Fertigung, kürzere Vorlaufzeiten und die Anpassung von Teilen. Im Hinblick auf die Materialeigenschaften zeigen Metalle, die mittels Laserstrahlschmelzen verarbeitet werden, oft eine überlegene mechanische Antwort im Vergleich zu konventionell hergestellten Materialien. Dies ist auf die deutlich feineren Mikrostrukturen zurückzuführen, die durch schnelle und gerichtete Erstarrung erzeugt werden. Trotz dieser Vorteile bleiben jedoch bestimmte Herausforderungen bestehen, wie die Kontrolle der Prozessparameter zur Minimierung von Porenfehlern und die residualen thermischen Spannungen, die durch wiederholtes Aufheizen und Abkühlen verursacht werden. Im Kontext dieser beiden aufstrebenden Forschungsfelder konzentrierte sich diese Dissertation auf die Untersuchung und Entwicklung des Laserstrahlschmelzenverfahrens für Hochentropielegierungen in der Nähe der Co-freien AlCrFe2Ni2-Legierung. Der Schwerpunkt lag auf der Erforschung der Auswirkungen von Prozessparametern und chemischer Zusammensetzung auf die Verarbeitbarkeit sowie auf die Auswirkungen von Wärmebehandlungen auf Mikrostruktur und Materialeigenschaften.Die Dissertation richtete ihren Schwerpunkt anfänglich auf die umfassende Darstellung der primären Herausforderungen bei der Verarbeitung von aluminiumreichen Legierungen im Kontext der Laserstrahlschmelzentechnologie in unmittelbarer Nähe zur Basiskomposition AlCrFe2Ni2, welche eine primäre BCC-Mikrostruktur aufweist. Die detaillierte Charakterisierung von Defekten und Mikrostrukturen ermöglichte eine präzise Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen der Phasenbildung im Rahmen der rapiden Erstarrung und der Vermeidung von Rissbildung im aufgebauten Material. Infolgedessen wurden verschiedene Versuchsreihen zur Entwicklung von Prozessparametern durchgeführt, einschließlich der Evaluierung der Vorwärmung der Basisplatte, mit dem Ziel, Materialien mit geringer Porosität und ohne Rissbildung zu erzeugen. Im Anschluss an diese Erkenntnisse wurde eine rissanfällige Legierung, Al18Cr16Fe34Ni32, mit einem Aluminiumgehalt von 9.5 Gew. %, unter Anwendung einer Hochtemperatur-Vorwärmung der Basisplatte verarbeitet, um speziell für mechanische Tests geeignete Proben herzustellen. Durchführung von Dreipunktbiegeversuchen an wärmebehandelten Proben ermöglichte die anschließende Vergleichsanalyse mit Referenzproben aus hochfestem Superduplexstahl DIN / EN – 1.4517. Die anschließende umfangreiche Charakterisierung des Materials nach verschiedenen Wärmebehandlungen verdeutlichte die Einflüsse von Temperatur und Zeit auf die Mikrostruktur sowie die resultierenden mechanischen Eigenschaften. Schließlich konnte die optimale Wärmebehandlung identifiziert werden, welche zu einer einzigartigen, dem Additivfertigungsprozess eigenen Dualphasen-Mikrostruktur führte. Diese Mikrostruktur setzte sich aus einer spinodal zerlegten BCC-B2- und BCC-A2-Matrix mit ultrafeinen FCC-Plättchen zusammen. Das erzielte Legierungsmaterial wies eine verbesserte Festigkeit-Zähigkeit-Synergie im Vergleich zum Referenzmaterial auf. Im Rahmen thermodynamischer Berechnungen für Legierungen mit variierendem Aluminiumgehalt im Bereich von 6,5–9,5 Gew. % (12,7–17,9 At. %) wurde der Effekt der chemischen Zusammensetzung auf die Veränderung des Erstarrungspfads untersucht, um eine rissfreie Verarbeitung ohne Vorwärmung zu ermöglichen. Die Studie zielte darauf ab, den Einfluss der Bildung der primären FCC-Phase auf die Prozessfähigkeit des Laserstrahlschmelzenverfahrens zu untersuchen. Eine aluminiumarme Legierung mit der Zusammensetzung Al14Cr15Fe35Ni36 wurde durch Mischen von vorgelegierten und elementaren Pulvern hergestellt. Die Legierung wurde rissfrei verarbeitet, ohne dass eine Vorwärmung der Basisplatte erforderlich war, aufgrund des Erstarrungspfads mit einer nahezu einphasigen FCC-Mikrostruktur. Zugproben wurden mit Laserstrahlschmelzen hergestellt und im wie-gebaut Zustand sowie nach Wärmebehandlung getestet. Die Bildung von BCC-B2-Ausscheidungen in der FCC-Matrix erhöhte die Verfestigungsfähigkeit der Legierung, wodurch überlegene Zugfestigkeitseigenschaften im Vergleich zu Referenz-Superduplexstahlproben erzielt wurden. Die Studie konzentrierte sich dann auf die Verarbeitung einer ähnlichen aluminiumarmen Legierung, nämlich Al13Cr17Fe36Ni34, die aus vorgelegiertem Pulver hergestellt wurde. Eine systematische Wärmebehandlungsstudie wurde durchgeführt, einschließlich Zugversuchen an bearbeiteten Proben sowie Korrosionstests in einer 3,5 Gew. % NaCl-Wasserlösung. Die Ergebnisse zeigten das Potenzial zur Anpassung der mechanischen Antwort der Legierung durch Wärmebehandlung. Eine Erhöhung der Glühtemperatur und -dauer führte zu einer Abnahme der Streckgrenze der Legierung. Die optimierte mechanische Antwort wurde durch Wärmebehandlungen bei 850 °C erzielt, was zu einer ultrafeinen BCC-B2-Ausscheidung in den Ausgangs-FCC-Körnern führte. Die Legierung wies überlegene mechanische Eigenschaften im Vergleich zu Standard-Hochfestigkeits- und korrosionsbeständigen Superduplexstählen sowie ähnlichen Co-haltigen Legierungen im Al-Co-Cr-Fe-Ni-System auf. Die Ausscheidungen waren jedoch reich an Aluminium und Nickel und boten bevorzugte Stellen für selektive Korrosion, wodurch die Lochkorrosionsbeständigkeit der Legierung beeinträchtigt wurde. Ein Demonstrationslaufrad wurde erfolgreich mit Laserstrahlschmelzen hergestellt, um die neue Legierung und Technologie für industrielle Anwendungen zu bewerten. Schließlich wurden auf der Grundlage der Ergebnisse die Verarbeitungspfade für Legierungen mit unterschiedlichem Aluminiumgehalt erörtert, wobei der Schwerpunkt auf den Phasenumwandlungswegen während der Wärmebehandlungen sowie den resultierenden Mikrostrukturen und Eigenschaften lag. Die aluminiumarmen Legierungen wurden besonders in den Fokus der Analyse gerückt, aufgrund ihrer hervorragenden Prozessfähigkeit im Laserstrahlschmelzen und ihrer mechanischen Eigenschaften. In einem Ausblick wurden zukünftige Forschungsrichtungen für die weitere Entwicklung der mit Laserstrahlschmelzen hergestellten Legierung vorgeschlagen.

In the last two decades research on high entropy alloys has been intensifying. The motivation behind the numerous studies remained the unexplored composition space of multicomponent alloys and the synergy that leads to unpredicted and often exceptional properties. One of the most promising systems is Al-Co-Cr-Fe-Ni. Alloys within this system consist of simple crystal structures, such as body centered cubic (BCC) and face centered cubic (FCC), and show remarkable mechanical properties, which vary depending on the processing method and can be tailored by heat treatment, as well as chemical composition, i.e. the concentration of elements such Al and Ni. Lately, Co-free alloys, such as AlCrFe2Ni2, were introduced and showed excellent mechanical properties originating from their nanoscale dual-phase microstructure. These results paved the way for the development of novel alloys without Co, a costly and resource critical element. Almost in parallel with the development of high entropy alloys (HEAs), laser powder bed fusion (LPBF), a novel additive manufacturing (AM) technology, has gathered the interest of the scientific community due to the introduction of multiple benefits in comparison to conventional manufacturing, i.e. design optimized parts with unconceivable geometric complexity, tool-less manufacturing, shorter lead times, part customization and more. In the context of material properties, the metals processed by LPBF often exhibit superior mechanical response compared to their conventionally produced counterparts. This is due to the significantly finer microstructures induced by the fast and directional solidification. Besides these advantages, certain challenges remain, among other the control of the process parameters to minimize porosity defects and the residual thermal stresses caused by the repeated heating and cooling cycles. In the context of the two emerging research fields, this thesis investigated and developed the LPBF process for HEAs near the baseline Co-free AlCrFe2Ni2 alloy. The focus was put on the study of the effects of process parameters and chemical composition on the processability, as well as the effect of heat treatment on microstructure and material properties. First, the thesis focused on presenting the main challenges in LPBF processing of Al-rich alloys near the baseline AlCrFe2Ni2, that solidify with a primary BCC microstructure. Defect and microstructure characterization revealed the link between phase formation under rapid solidification and crack mitigation in the as-built material. Process parameter development trials including also the application of baseplate preheating were utilized to obtain low porosity and crack-free material. Following these findings, a crack-prone Al18Cr16Fe34Ni32 alloy with 9.5 wt. % Al was processed with high-temperature baseplate preheating to produce specimens suitable for mechanical testing. Three-point bending tests were completed on heat-treated specimens and the results were compared to reference high-strength super-duplex steel DIN / EN – 1.4517 specimens. Characterization of the material obtained with different heat treatments revealed the effect of temperature and duration on the microstructure, as well as the resulting mechanical properties. The optimum heat treatment was identified, leading to a unique to the AM processing path dual-phase microstructure, comprising a spinodally decomposed BCC-B2 and BCC-A2 matrix with ultra-fine FCC platelets. The obtained alloy exhibited an improved strength-ductility synergy in comparison to the reference material. Next, thermodynamic calculations for alloys with varied Al content in a range of 6.5–9.5 wt. % (12.7–17.9 at. %) revealed the effect of chemical composition on altering the solidification path, envisaging crack-free processing without preheating. The study aimed to examine the effect of primary FCC phase formation on the LPBF processability. An Al-lean alloy with composition Al14Cr15Fe35Ni36 was prepared by blending prealloyed and elemental powders. The alloy was processed crack-free without the use of baseplate preheating owing to the solidification path with a near-single-phase FCC microstructure. Tensile specimens were produced by LPBF and tested in the as-built and heat-treated condition. The formation of BCC-B2 precipitates in the FCC matrix enhanced the strain hardening capability of the alloy which achieved superior tensile properties compared to reference super-duplex steel specimens. The study then focused on processing a similar Al-lean alloy, namely Al13Cr17Fe36Ni34, prepared from prealloyed powder. A systematic heat treatment study was conducted, including tensile tests on machined specimens, as well as corrosion tests in 3.5 wt. % NaCl aqueous solution. The results revealed the potential to tailor the mechanical response of the alloy by heat treatment. Increasing annealing temperature and duration led to a decrease in yield strength of the alloy. Optimized mechanical response was achieved by heat treatments at 850 °C, which led to ultra fine BCC-B2 precipitation in the parent FCC grains. The alloy exhibited superior mechanical properties compared to standard high-strength and corrosion resistant super-duplex steels, as well as similar Co-containing alloys in the Al-Co-Cr-Fe-Ni system. However, the precipitates were rich in Al and Ni, and provided preferential sites for selective corrosion, thus impairing the pitting corrosion resistance of the alloy. A demonstration impeller was successfully manufactured by LPBF to evaluate the new alloy and technology for industrial applications. Finally, based on the findings, the processing paths for alloys with different Al content were discussed also with emphasis on the phase transformation pathways during heat treatments, together with the resulting microstructures and properties. The Al-lean alloys were placed in the main focus of the analysis, due to their excellent LPBF processability and mechanical properties. In the outlook, future research directions were proposed for the further development of the alloy processed by LPBF.

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