Nanocrystalline CoCrFeNi high entropy alloys (HEAs) with 1 and 4 wt% nanosized Y2O3 were synthesized by high energy mechanical alloying and subjected to annealing treatments at different temperatures up to 1100 °C. X-ray diffraction (XRD), focused ion beam microscopy (FIB), and transmission electron microscopy (TEM) were used to investigate the microstructures of as-milled and annealed HEAs as a function of annealing temperature and Y2O3 content. The results have shown that the as-milled HEAs were solid solutions with face-centered cubic (fcc) crystal structure, which remained stable even after annealing at 1100 °C. The as-milled nanocrystalline CoCrFeNi HEA revealed grain growth upon annealing, reaching 293 nm and 1.45 µm after annealing at 900 and 1100 °C, respectively. This suggests that the nanocrystalline microstructure of CoCrFeNi is not thermally stable at high temperatures. The grain size stability was found to reach around 72 nm with nanosized Y2O3 particles after annealing at 1100 °C. Accordingly, 477 ± 20 HV as-milled hardness of CoCrFeNi was dramatically reduced to 220 ± 14 HV after annealing at 1100 °C due to severe grain coarsening but retained around 450 ± 23 HV with 4 wt% Y2O3 addition. The correlation between microstructure and hardness was utilized to evaluate the mechanical properties.

CoCrFeNi high entropy alloys (HEAs) with yttrium (Y) additions (1 and 4 at. %) were nanostructured by mechanical alloying process and annealed at various temperatures between 500 °C and 1100 °C. The structure, grain growth, and hardness were studied as a function of solute addition and annealing temperature using X-ray diffraction (XRD), focused ion beam (FIB), and scanning transmission electron microscope (S/TEM) techniques, and hardness test. The thermo-physical calculations were utilized to discuss the phase evolution after mechanical alloying and annealing with respect to added solutes. The results showed that Y additions did not affect the main crystal structure of the base CoCrFeNi HEA as the solid solution with a single face-centered cubic (fcc) crystal structure was maintained even after 1 h annealing at 1100 °C. The as-milled nanocrystalline grain size of CoCrFeNi HEA yielded extensive grain growth with the temperature exposures reaching 291 nm and 1.4 μm after annealing at 900 °C and 1100 °C, respectively. However, Y additions retarded the grain growth and decreased the average grain size upon annealing as compared to the base HEA. That is, 1 and 4 at. % Y additions stabilized the grain size around 88 nm and 95 nm (both determined by TEM) after annealing at 900 °C and 1100 °C, respectively. Accordingly, the as-milled hardness of CoCrFeNi HEA dropped from 475 HV to 220 HV after annealing at 1100 °C, while the reduction in hardness was relatively gradual with Y additions and retained around 435 HV with 4 at. % Y addition even after annealing at 1100 °C. Such thermal stability may facilitate the use of HEAs at high temperatures and enable the consolidation routes of powders into dense nanocrystalline compact HEAs.

Abnormal grain growth (AGG) in nanocrystalline (CoCrFeNi)100-xZrx (x = 1 and 4 at. %) HEAs, prepared through high energy mechanical alloying, was comprehensively investigated upon annealing. Transmission electron microscopy (TEM), including high angle annular dark field imaging (HAADF) and energy dispersive spectroscopy (EDS) mapping, focused ion beam microscopy (FIB), and X-ray diffraction experiments (XRD) were utilized to investigate the microstructures as a function of added Zr content and temperature exposures. The results showed that nanocrystalline grains of the as-milled HEAs did not increase significantly upon annealing up to 700 °C as the nanocrystalline grain sizes were retained. However, grain growth was observed in (CoCrFeNi)99Zr1 after annealing at 900 °C, which turned into AGG after annealing at a higher temperature of 1100 °C, disrupting the equiaxed grain structures observed at 900 °C. Although the increased amount of Zr doping reduced the average grain size in (CoCrFeNi)96Zr4, bimodal grain structure existed in the microstructure composed of a matrix with 255 nm grain size and abnormally grown grains up to 3 μm. The observed AGG was attributed to the pinning effect of in-situ formed secondary oxide phases. The microstructural evolution as a function of Zr doping and annealing temperatures was also correlated with the microhardness test results. The AGG and bimodal grain structure reported for the Zr doped CoCrFeNi HEA may open a new avenue to produce HEAs with the enhanced strength-ductility combination due to the incorporation of larger grains and in-situ formed oxide phases in a fine-grained matrix.

The present work has examined the microstructural evolution, thermal stability, hardness, and corrosion behavior of Zr/Y doped CoCrFeNi HEAs prepared through high-energy mechanical alloying followed by spark plasma sintering (SPS) at 1100 °C. The achieved microstructures were investigated by XRD and TEM techniques. The results showed that investigated HEAs consist of an fcc solid solution of CoCrFeNi matrix with in-situ formed Cr–C carbides and Cr/Zr/Y based oxide phases. The SPS processing of CoCrFeNi yielded grain growth to 370 ± 60 nm, while 240 ± 160 nm grain size with bimodal grain size distribution and 165 ± 38 nm grain size were achieved with Zr and Y additions, respectively. The effects of microstructural changes on the hardness and corrosion behaviors of HEAs were also investigated. Compared with 372 ± 15 HV hardness of CoCrFeNi HEA, 445 ± 26 HV and 563 ± 58 HV hardness values were determined with Zr and Y doped HEAs, respectively. The increase in hardness is mainly ascribed to the precipitation strengthening of carbide and oxide phases as well as smaller grain sizes. The corrosion analysis showed that, although the achieved smaller grain sizes and the presence of different oxide types when dopped with Y and Zr impaired the corrosion resistance, the investigated HEAs have reasonable resistance to corrosion when compared to SS304 stainless steel.

Abstract In this study, a Ti-22Al-25Nb alloy with nanocrystalline structure was produced by high energy mechanical alloying (HEMA) and 1 at.-% yttrium was added as a thermal stabilizer. The as-milled samples were annealed at various temperatures up to 900 °C in a protective gas atmosphere, and the samples were allowed to cool to room temperature in the furnace. The phase transformations and microstructural changes as a function of the annealing temperatures and alloy compositions were studied using room- and high-temperature X-ray diffraction (XRD), focused ion beam microscopy (FIB), and scanning electron microscopy (SEM). The mechanical properties of the samples were interpreted based on the hardness results and their correlation with the microstructures. The results showed that the as-milled nanocrystalline structure of Ti-22Al-25Nb alloy increased from 3.4 nm to 350 nm after annealing at 800 °C due to the high driving force induced by the large grain boundary area. Consequently, the as-milled hardness of the Ti-22Al-25Nb alloy dropped from 7.63 ± 0.18 GPa to 5.37 ± 0.28 GPa. The grain size stability of the Ti-22Al-25Nb alloy after annealing at elevated temperature was ensured through the addition of yttrium. Thus, the grain size remained at the level of 125 nm, and the hardness value was maintained at around 6.98 ± 0.43 GPa after annealing at 800 °C.

CoCrFeNi high entropy alloys (HEAs) with yttrium (Y) additions (1 and 4 at. %) were nanostructured by mechanical alloying process and annealed at various temperatures between 500 °C and 1100 °C. The structure, grain growth, and hardness were studied as a function of solute addition and annealing temperature using X-ray diffraction (XRD), focused ion beam (FIB), and scanning transmission electron microscope (S/TEM) techniques, and hardness test. The thermo-physical calculations were utilized to discuss the phase evolution after mechanical alloying and annealing with respect to added solutes. The results showed that Y additions did not affect the main crystal structure of the base CoCrFeNi HEA as the solid solution with a single face-centered cubic (fcc) crystal structure was maintained even after 1 h annealing at 1100 °C. The as-milled nanocrystalline grain size of CoCrFeNi HEA yielded extensive grain growth with the temperature exposures reaching 291 nm and 1.4 µm after annealing at 900 °C and 1100 °C, respectively. However, Y additions retarded the grain growth and decreased the average grain size upon annealing as compared to the base HEA. That is, 1 and 4 at. % Y additions stabilized the grain size around 88 nm and 95 nm (both determined by TEM) after annealing at 900 °C and 1100 °C, respectively. Accordingly, the as-milled hardness of CoCrFeNi HEA dropped from 475 HV to 220 HV after annealing at 1100 °C, while the reduction in hardness was relatively gradual with Y additions and retained around 435 HV with 4 at. % Y addition even after annealing at 1100 °C. Such thermal stability may facilitate the use of HEAs at high temperatures and enable the consolidation routes of powders into dense nanocrystalline compact HEAs.

Abstract This study was conducted to understand the creep behavior of two oxide dispersion strengthened alloys containing Zr as the alloying addition by performing indentation creep tests at room temperature. The oxide dispersion strengthened alloys were Fe–8Ni– x Zr ( x = 1 and 4 at.%, i.e., Zr-1 and Zr-4 alloys, respectively), which had been previously fabricated by mechanical alloying; followed by consolidation via equal channel angular extrusion at 1000 °C. The indentation tests were conducted under a maximum load of 100 mN with the loading rates at 300 and 400 mN min −1 . The hardness was calculated by the Oliver–Pharr method, and the creep properties, such as the creep displacement, creep strain rate, creep stress, and stress exponent n , were determined. The results showed that the Zr-4 alloy was harder than the Zr-1 alloy. However, the creep resistance of the Zr-1 alloy was better than that of the Zr-4 alloy. It was further demonstrated that both the hardness and creep resistance depended on the loading rate. Moreover, a possible creep mechanism was proposed. Although the tests were performed at room temperature, they can provide insight into the effect of an oxide dispersion strengthened alloys microstructure on creep at higher temperatures.