THE EFFECT OF AlTi CONTENT ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF HIGH ENTROPY SUPERALLOYS

Özçelik İ. C., İçin K.

International Conference of Materials and Engineering Technologies 2025 (TICMET25), Gaziantep, Turkey, 6 - 09 October 2025, (Unpublished)

  • Publication Type: Conference Paper / Unpublished
  • City: Gaziantep
  • Country: Turkey
  • Karadeniz Technical University Affiliated: Yes

Abstract

 

In this study, three different high-entropy superalloys (HESA1, HESA2, HESA3) with varying Al–Ti ratios were produced using the arc melting method. The melting process was carried out at a voltage range of 400–600 V and a current of 25 A. Each melting operation was repeated five times with flipping to ensure chemical homogeneity. The produced alloys were subjected to tensile tests and nanoindentation measurements to determine their mechanical properties.

Tensile test results revealed that the Al and Ti contents had a significant influence on the mechanical properties of the high-entropy superalloys. HESA1, with the highest Al content (3.6 at.%) and the lowest Ti content (5.5 at.%), exhibited the lowest ultimate tensile strength (UTS) of 842.76 MPa but the highest total elongation of 23.13%. HESA2, containing medium Al (2.8 at.%) and Ti (6.3 at.) levels, reached the highest UTS of 964.67 MPa with a total elongation of 21.23%. HESA3, with the lowest Al (2.0 at.%) and highest Ti (7.1 at.%) content, showed a UTS of 948.37 MPa and a total elongation of 17.11%. The elastic modulus values for all samples ranged between 18–19 GPa, consistent with the stiffness characteristics of high-entropy alloys.

Nanoindentation tests indicated that increasing Ti content enhanced hardness, while increasing Al content improved plastic deformation capability. HESA1 exhibited a nanoindentation hardness (HIT) of 4.53 GPa, an elastic modulus (EIT) of 207 GPa, and a Vickers hardness (HVIT) of 419 Hv, demonstrating deeper penetration and higher plastic deformation capacity. HESA2, with medium Al and Ti content, achieved the highest hardness and elastic modulus values, with 5.09 GPa HIT, 224 GPa EIT, and 471 Hv HVIT. HESA3, with the lowest Al and highest Ti content, recorded 4.24 GPa HIT, 176 GPa EIT, and 393 Hv HVIT, showing the lowest elastic modulus in the study. The results demonstrated a strong correlation between chemical composition and micromechanical properties, while also indicating that the hardness and elastic modulus trends at the microscale can partially differ from those obtained in macroscale tensile tests.

 

Bu çalışmada, üç farklı Al–Ti oranına sahip yüksek entropili süper alaşımlar (HESA1, HESA2, HESA3) ark ergitme yöntemi ile üretilmiş ve mekanik özellikleri detaylı şekilde incelenmiştir. Çekme testi sonuçları, Al ve Ti oranlarındaki değişimlerin alaşımların çekme dayanımı, süneklik ve elastik modülü üzerinde belirgin etkiler yarattığını ortaya koymuştur. Yüksek Al içeriğine (%3,6 at.) ve düşük Ti içeriğine (%5,5 at.) sahip HESA1, 842,76 MPa nihai çekme dayanımı (UTS) ve %23,13 toplam uzama ile çalışmadaki en düşük dayanım ancak en yüksek süneklik değerine ulaşmıştır. Orta düzey Al (%2,8 at.) ve Ti (%6,3 at.) içeren HESA2, 964,67 MPa ile en yüksek çekme dayanımına sahip olurken sünekliği %21,23 olmuştur. En düşük Al (%2,0 at.) ve en yüksek Ti (%7,1 at.) oranına sahip HESA3 ise 948,37 MPa çekme dayanımı ve %17,11 süneklik göstermiştir. Elastik modül tüm numunelerde 18–19 GPa aralığında ölçülmüş, bu değerler yüksek entropili alaşımların tipik rijitlik özellikleriyle uyumlu bulunmuştur.

Nanoindentasyon testleri, Ti oranındaki artışın sertliği yükselttiğini, Al oranındaki artışın ise plastik deformasyon kapasitesini geliştirdiğini göstermiştir. HESA1, daha derin yer değiştirme ve daha düşük sertlik sergilerken; HESA3, en az yer değiştirme ile en yüksek sertliğe ulaşmıştır. HESA2, bu iki uç değer arasında dengeli bir davranış göstermiştir. Mikro ölçekli mekanik testler ile makro ölçekli çekme testleri arasında kısmi farklılıklar gözlemlenmiş, bunun alaşımların mikroyapısal heterojenliği ve çok fazlı yapısından kaynaklandığı değerlendirilmiştir. Kimyasal bileşim ile mekanik davranış arasındaki güçlü korelasyon, yüksek entropili süper alaşımların tasarımında element oranlarının kritik önemini vurgulamaktadır.

 

Bu çalışma, TÜBİTAK 1001 programı kapsamında 223M568 numaralı proje ile desteklenmiştir.