Understanding welding and machining properties of high- and medium entropy alloys : a study on CoCrFeMnNi and CoCrNi systems

Abstract

The constant drive in production engineering to optimize component properties has led to an ex- ploration of various variables, including material composition and processing techniques. High Entropy Alloys (HEAs), introduced in 2004, represent a new class of materials with complex com- positions and promising properties. Unlike conventional alloys, HEAs consist of at least five alloy- ing elements (Medium Entropy Allys- MEA with 2 to 4 alloying elements) with nearly equal propor- tions, leading to unique crystalline structures and potentially improved properties. While much research has focused on synthesizing HEAs with specific properties, the manufacturing and pro- cessing aspects, particularly weldability and machinability, are gaining increasing importance. This doctoral thesis focuses on investigating the weldability and machinability of CoCrFeMnNi- HEA and CoCrNi-MEA, using Tungsten Inert Gas (TIG) and Friction Stir Welding (FSW) pro- cesses. Welding experiments were conducted to assess joint integrity, microstructure evolution, mechanical properties, and residual stresses. Results show that both HEA and MEA exhibit good weldability under TIG welding, with welds free from defects and mechanical properties comparable to the base material. Additionally, dissimilar metal welds (DMWs) with conventional austenitic steel (AISI 304) were successfully produced, indicating the potential for multi-material applications. Machinability studies were carried out through conventional and Ultrasonic-Assisted Milling (USAM) processes, focusing on cutting forces, surface integrity, and residual stresses. Both alloys demonstrated good machinability, with USAM showing improved surface integrity by reducing de- fects and residual stresses. The findings suggest potential applications of HEAs and MEAs in functional surfaces and coatings. In conclusion, this research provides comprehensive insights into the weldability and machinability of HEAs and MEAs, laying a foundation for their integration into real components. Further investi- gations are recommended to explore the impact of welding and machining parameters, as well as the application of these alloys in specialized areas, to fully exploit their potential.

Das ständige Bestreben in der Produktionstechnik, die Eigenschaften von Bauteilen zu optimie- ren, hat dazu geführt, dass verschiedene Variablen, einschließlich der Materialzusammensetzung und der Verarbeitungstechniken, überdacht werden. High Entropy Alloys (HEAs), die 2004 einge- führt wurden, stellen eine neue Klasse von Werkstoffen mit komplexer Zusammensetzung und vielversprechenden Eigenschaften dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Legierungen bestehen HEAs aus mindestens fünf Legierungselementen (Medium Entropy Alloy -MEA mit 2 bis 4 Legie- rungselementen) mit nahezu gleichen Anteilen, was zu einzigartigen kristallinen Strukturen und potenziell verbesserten Eigenschaften führt. Während sich ein Großteil der Forschung auf die Synthese von HEAs mit spezifischen Eigenschaften konzentriert hat, gewinnen die Herstellungs- und Verarbeitungsaspekte, insbesondere die Schweißbarkeit und Zerspanbarkeit, zunehmend an Bedeutung. In dieser Dissertation wird die Schweißbarkeit und Zerspanbarkeit von CoCrFeMnNi-HEA und CoCrNi-MEA unter Verwendung von Wolfram-Inertgas- (WIG) und Friction Stir Welding (FSW) Verfahren untersucht. Es wurden Schweißexperimente durchgeführt, um die Integrität der Verbin- dung, die Entwicklung des Mikrogefüges, die mechanischen Eigenschaften und die Eigenspan- nungen zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl HEA als auch MEA beim WIG-Schwei- ßen eine gute Schweißbarkeit aufweisen, wobei die Schweißnähte frei von Fehlern sind und die mechanischen Eigenschaften mit denen des Grundmaterials vergleichbar sind. Darüber hinaus wurden erfolgreich Mischschweißnähte mit herkömmlichem austenitischem Stahl (AISI 304) her- gestellt, was auf das Potenzial für Multi-Material-Anwendungen hinweist. Studien zur Zerspanbarkeit wurden mit konventionellen und ultraschallunterstützten Fräsverfah- ren (USAM) durchgeführt, wobei der Schwerpunkt auf Schnittkräften, Oberflächenintegrität und Eigenspannungen liegt. Beide Legierungen erwiesen sich als gut zerspanbar, wobei USAM die Oberflächenintegrität durch die Reduzierung von Defekten und Eigenspannungen verbesserte. Die Ergebnisse deuten auf mögliche Anwendungen von HEAs und MEAs in funktionalen Oberflä- chen und Beschichtungen hin. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass diese Forschungsarbeit einen umfassenden Ein- blick in die Schweißbarkeit und Zerspanbarkeit von HEAs und MEAs bietet und damit eine Grund- lage für deren Integration in reale Bauteile schafft. Weitere Untersuchungen werden empfohlen, um die Auswirkungen von Schweiß- und Zerspanungsparametern sowie die Anwendung dieser Legierungen in speziellen Bereichen zu erforschen, um ihr Potenzial voll auszuschöpfen.