Master's Thesis

Role of carbides in high entropy alloys

Final Thesis 8.65 MB

Author of thesis: Bc. Johana Ronschak

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. David Salamon, Ph.D.

Reviewer: Ing. Marek Doubrava, Ph.D.

Abstract:

Introducing carbon into the novel material class of High entropy alloys (HEAs) often leads to obtaining a high-hardness, chemical-resistant and heat-resistant material called High entropy carbide (HEC). HECs have been the topic of many publications in recent years due to their outstanding thermomechanical properties. Many refractory metal HEA systems have been converted into well-performing HECs, however, one of the most renowned HEA systems has yet to be a subject to any in depth research of adding carbon. The Cantor-like AlCoCrFeNi is well-known for its unique phase composition, displaying high mechanical properties such as fracture toughness, compressive strength or Young’s modulus.
These properties are a result of the alloy’s multiphase composition comprising of fine precipitates homogeneously dispersed within the matrix. The single-phase destabilization is known to be caused by the presence of Al, creating an Al-Ni B2 sublattice system similar to traditional nickel superalloys. While the phase composition and behavior of AlCoCrFeNi has been studied quite thoroughly throughout the years, the stability of these phases under different chemical conditions remains a question unanswered. This work focuses on the addition of carbon to this system, as it is one of the most accessible non-metal enriching elements, which could pave the way for potential large-scope application in the future.
The introduction of this thesis consists of a literary overview of the topic of HEAs, their history and namely the naming and definitions convention. Afterwards, focus is set on the AlCoCrFeNi system specifically, its phases and phase transitions described in detail as well as the effects of different synthesis routes and heat treatments on this material’s microstructure.
Experiments were carried out on a series of samples of (AlCoCrFeNi)100-x+Cx (x = 0; 1,5; 2; 4; 8; 10) consolidated via SPS from atomized pre-alloyed HEA and graphite powders. XRD phase analysis as well as SEM and EDS microstructure and chemical analyses were carried out, tied together with results from Archimedes’ density and Vickers hardness tests. The effect of sintering temperature, dwell time, heating and cooling rates were analyzed.
It was proved that C has an effect on the microhardness of the AlCoCrFeNi system intrinsically linked to further phase destabilization occurring when C > 1,5 at. %. Different C contents cause different phases to stabilize within the microstructure, resulting in non-linear behavior of obtained microhardness. Additionally, C appears to nullify the effect of cooling rates during SPS, possibly stabilizing the phase composition obtained at Tsint. even at lower temperatures. This could also simplify the application process as it was proven that even a large 170g sample retained a near identical microstructure to that of a smaller 4g one.
This thesis offers a large-scale collection of new data for further research. All obtained results are discussed with the limited literature currently available on the topic, expanding the knowledge on the stability of the AlCoCrFeNi system and its interactions with C.

Keywords:

AlCoCrFeNi, Cantor alloys, High entropy alloys, High entropy materials, High entropy-based stabilization, High entropy carbides, Complex metal alloys, Vickers hardness, Microhardness, Spark Plasma Sintering

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Studentka prezentovala svoji diplomovou práci, byly přečteny posudky vedoucího práce a oponenta práce. Otázky oponenta: 1. otázka - zodpovězeno 2. otázka - zodpovězeno 3. otázka - zodpovězeno Otázky komise: U výsledků EDS map jsou uvedeny fáze bohaté na chrom? Proč se liší mřížka těchto fází bohatých na Chrom? Co je to za fáze? (zodpovězeno) V případě třífázové struktury - Máte v práci uvedenou prvkovou analýzu každé fáze? Dá se v tomto případě mluvit ještě o HEA? (zodpovězeno) V čem se liší B2 a BCC struktura? (zodpovězena) Projeví se to nějak na Entropii mísení? (zodpovězeno) Dělalo se TZ u těchto slitin? (zodpovězeno) Je možná masová aplikace SPS? Jaký by byl rozdíl u této slitiny po odlití? (zodpovězeno) Proč se v rámci práce zvyšoval podíl uhlíku? Jaká byla motivace? (zodpovězeno) Uvažovali jste nad použitím titanu nebo jiných prvků? (zodpovězeno) Jak vypadali žetony po balistických testech? (zodpovězeno) Když zvýšíte uhlík - mají všechny prvky v této slitině vysokou afinitu k uhlíku, aby tvořily stabilní karbidy? (zodpovězeno)

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Materials Engineering (N-MTI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Libor Pantělejev, Ph.D. (předseda)
Ing. Lukáš Řehořek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Klára Částková, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Ivo Dlouhý, CSc. (člen)
Ing. Martin Zelený, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Karel Maca, Dr. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. David Salamon, Ph.D.

Práce splnila v plném rozsahu stanovený cíl. Studentka zpracovala podrobnou literární rešerši zaměřenou na vysoce entropické slitiny se zaměřením na systém AlCoCrFeNi, metody jeho přípravy a dosavadní poznatky o vlivu přídavku uhlíku. Dále experimentálně připravila sérii vzorků studované slitiny s obsahem uhlíku 0 až 10 %. Výsledné vzorky byly analyzovány z hlediska fázového složení, mikrostruktury, rozložení prvků ve struktuře, hustoty a tvrdosti. Za významné považuji, že práce u vybraných laboratorních vzorků ověřila rovněž možnost přípravy objemnějších vzorků o hmotnosti 170 g a průměru 50 mm. Tyto byly následně použity pro další testování, které již v práci není uvedeno. Studentka pracovala s velkou mírou samostatnosti, velkou část experimentů prováděla zcela samostatně a projevila vysoce nadprůměrnou schopnost výsledy zpracovat a diskutovat další postupy. 
Formální úprava práce je na dobré úrovni a uspořádání je logické, přičemž oceňuji, že po krátkém úvodu týkající se HEA práce rovnou řeší konkrétní studovaný systém. Práce je psaná slušnou angličtinou, i když se v ní objevují nestandardní slovní spojení, občasné chyby a drobné překlepy. Faktické chyby, jako na straně 33 "which was done under a load of 100 g (HV1)“, jsou velmi zřídké. 
Práce splňuje požadavky standardně kladené na diplomovou práci a představuje hodnotnou experimentální studii s rozsáhlým souborem nových dat. Její hlavní přínos spočívá v systematickém popisu vlivu uhlíku na mikrostrukturu a mikrotvrdost systému AlCoCrFeNi připraveného metodou SPS a v ověření možnosti přípravy objemnějších vzorků. Jako školitel práci plně doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Marek Doubrava, Ph.D.

Předložená diplomová práce Bc. Johany Ronschak se zabývá aktuální problematikou vlivu uhlíku na strukturní složení a mechanické vlastnosti slitin s vysokou entropií (HEA) na bázi systému AlCoCrFeNi.

Cíle stanovené zadáním byly splněny bez výhrad a v plném rozsahu. Členění práce je standardní, avšak kvalita jak teoretické, tak experimentální části jsou nadstandardní. A to jak kvalitou a čtivostí textu, který je navíc v angličtině, tak schopností vysvětlovat složité pojmy a mechanismy jednoduše a srozumitelně. Studentka byla schopna do teoretické části vnést časovou posloupnost toho, jak výzkum této rodiny materiálů probíhal a v experimentální části na tento výzkum navázat. Práci s literaturou jak v teoretické, tak experimentální části hodnotím jako výbornou.

Konkrétní přínosy studentky jsou například mimořádně rozsáhlá experimentální matice čítající přes 20 vzorků, analýza vstupního materiálu, vyhodnocení efektu parametrů slinování při použití technologie Spark Plasma Sintering, hodnocení efektu velikosti vzorku, dále hodnocení efektu použité technologie mletí pro přípravu vstupního prášku slitiny AlCoCrFeNi s různým množstvím C, a v neposlední řadě hodnocení tvrdosti, jako cílené mechanické vlastnosti a porovnání mezi jednotlivými vzorky. Pro komplexnost analýz byly použity také analytické metody jako SEM, EDS, XRD atp.

Formální úprava práce je na vysoké úrovni. Odborná terminologie je přesná, text je velice čtivý, stručný a přesto vysvětlující. Předložené dílo svým rozsahem, kvalitou, hloubkou vědecké analýzy a zpracováním plně vyhovuje požadavkům kladeným na diplomovou práci, a proto ji jednoznačně doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Z práce vyplývá, že informace týkající se fázového složení v literatuře ani vaší práci nejsou konzistentní. Jakou analytickou metodu navrhujete použít pro jednoznačné určení přítomných fází?
  2. Během mechanického mletí slitiny AlCoCrFeNi s příměsí uhlíku inherentně dochází k opotřebení mlecích kuliček a také samotné nádoby. Sledovala jste, nebo dokážete odhadnout, do jaké míry mohlo v průběhu mletí dojít ke kontaminaci materiálu a jaký vliv by tato případná kontaminace měla na následné slinování a vlastnosti materiálu?
  3. Slitiny s vysokou entropií jsou trendem posledních desetiletí. Na jaké aplikace míří váš výzkum a jaké další kroky podniknete k tomu, aby se studovaný materiál mohl v reálné praxi využít?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová