Was sind die Unterschiede zwischen herkömmlichen Legierungen und hochentropischen Legierungen?

Einführung

Herkömmliche Legierungen und hochentrope Legierungen (HEAs) sind zwei Arten von Materialien, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Beide bestehen aus metallischen Elementen, doch es gibt einige wesentliche Unterschiede zwischen diesen Legierungen. In diesem Artikel werden wir die Unterschiede zwischen traditionellen Legierungen und HEAs untersuchen, einschließlich ihrer Zusammensetzung, Mikrostrukturen, Eigenschaften, Anwendungen und Produktionsmethoden.

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Abbildung 1. Automatisches Modell von HEAs

Einführung in herkömmliche Legierungen und hochentrope Legierungen

Traditionelle Legierungen kombinieren ein Metallelement mit anderen Metall- oder Nichtmetallelementen. Bei diesen Legierungen bleiben einige Eigenschaften des ursprünglichen Grundmetalls erhalten, während sich einige Merkmale ändern, wie z. B. erhöhte Festigkeit oder verbesserte Duktilität.

Es gibt eine Vielzahl von Legierungselementen, die den Grundmetallen zugesetzt werden können. Chrom wird häufig zugesetzt, um die Korrosionsbeständigkeit der Legierungen zu erhöhen; Wolfram ist ein Metalllegierungselement, das zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen verwendet wird, während Kohlenstoff in Stahl- und Gusseisenlegierungen häufig zur Verbesserung der Festigkeit zugesetzt wird.

Als hochentropische Legierungen werden Legierungen bezeichnet, die 5 oder mehr Hauptelemente enthalten, von denen jedes einen Atomprozentsatz zwischen 5 % und 35 % aufweist. Die Einbeziehung mehrerer Elemente führt zu einer komplizierten Struktur und einem hohen Entropieeffekt, der die einzigartigen physikalischen und mechanischen Eigenschaften von HEA im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen bewirkt.

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Herkömmliche Legierungen vs. hochentrope Legierungen

-Zusammensetzung

Herkömmliche Legierungen und hochentrope Legierungen haben unterschiedliche Elementzusammensetzungen. Zum einen bestehen herkömmliche Legierungen in der Regel aus zwei oder drei metallischen Elementen in unterschiedlichen Anteilen. HEAs hingegen enthalten mindestens fünf Elemente in gleichen oder annähernd gleichen Atomanteilen. Zum anderen macht das unedle Metall in herkömmlichen Legierungen den größten Anteil aus, während die Elemente in hochentropischen Legierungen gleiche oder nahezu gleiche Anteile einnehmen.

--Mikrostruktur

Unterschiedliche Zusammensetzung führt zu unterschiedlichen Strukturen. Herkömmliche Legierungen weisen in der Regel eine gut definierte Mikrostruktur auf, wie etwa eine eutektische oder dendritische Struktur, während HEAs eine ungeordnete, homogene Mikrostruktur aufweisen. Die ungeordnete Natur von HEAs führt zu einer zufälligen Verteilung der Atome, was das Auftreten von Phasenumwandlungen selbst bei hohen Temperaturen verringert.

-Eigenschaften

Herkömmliche Legierungen weisen je nach ihrer Zusammensetzung und Mikrostruktur eine Reihe von Eigenschaften auf. So können einige herkömmliche Legierungen fest, aber spröde sein, während andere duktil sind, aber eine geringe Festigkeit aufweisen.

Im Gegensatz dazu weisen HEAs aufgrund ihrer ungeordneten Mikrostruktur eine überlegene Kombination von Eigenschaften auf, einschließlich hoher Festigkeit, Duktilität und thermischer Stabilität. VNbMoTaW ist beispielsweise eine bemerkenswerte feuerfeste Legierung mit einer hohen Streckgrenze von über 600 MPa (87 ksi) selbst bei einer Temperatur von 1.400 °C, die sogar herkömmliche Superlegierungen übertreffen könnte.

-Anwendungen

Herkömmliche Legierungen sind beliebte Werkstoffe für verschiedene Anwendungen, z. B. in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und im Bauwesen.

HEAs hingegen sind eine relativ neue Klasse von Werkstoffen, deren Einsatzmöglichkeiten noch erforscht werden. Sie haben sich in verschiedenen Anwendungen als vielversprechend erwiesen, darunter thermoelektrische Anwendungen bei hohen Temperaturen, verschleißfeste Beschichtungen und Strukturmaterialien.

So werden HEAs beispielsweise in der Automobilindustrie zur Herstellung von Motorteilen, Antriebskomponenten und anderen strukturellen Ausrüstungen verwendet. Dank ihrer mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen sowie ihrer Strahlungs- und Korrosionsbeständigkeit sind diese Legierungen auch vielversprechende Werkstoffe für nukleare Anwendungen.

-Herstellung

Der Herstellungsprozess herkömmlicher Legierungen ist relativ einfach, während es für die Herstellung hochentropischer Legierungen mehrere Ansätze gibt.

Herkömmliche Legierungen werden in der Regel mit herkömmlichen Verfahren wie Gießen, Strangpressen und Schmieden hergestellt. Im Allgemeinen umfasst der Prozess das Schmelzen, Mischen, Erstarren und anschließende Abkühlen.

Die Herstellung von HEAs erfordert jedoch aufgrund ihrer komplexen Zusammensetzung und Mikrostruktur spezielle Techniken (siehe Abbildung 2). Die meisten von ihnen werden durch Lichtbogenschmelzen und Induktionsschmelzen hergestellt. Bei der Festkörperverarbeitung wird eine mechanische Legierung verwendet. Bei der Gasphasenverarbeitung werden Sputtering oder Molekularstrahlepitaxie (MBE) eingesetzt.

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Abbildung 2. Herstellung von HEA

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich herkömmliche Legierungen und hochentrope Legierungen in ihrer Zusammensetzung, Mikrostruktur, ihren Eigenschaften, Anwendungen und Herstellungsverfahren unterscheiden. Während herkömmliche Legierungen eine genau definierte Mikrostruktur und Eigenschaften aufweisen, bieten HEAs aufgrund ihrer ungeordneten, homogenen Mikrostruktur eine einzigartige Kombination von Eigenschaften. HEAs sind eine vielversprechende Materialklasse für verschiedene Anwendungen und werden noch auf ihr volles Potenzial hin erforscht. Stanford Advanced Materials (SAM) ist ein zuverlässiger Lieferant von hochentropen Legierungen. Für weitere Informationen besuchen Sie bitte unsere Homepage.

Referenz:

[1] Hochentrope Legierung. (2023, 5. Juni). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/High-entropy_alloy#See_also

[2] Zhang, Wei & Zhang, Yong. (2018). Wissenschaft und Technologie in hochentropen Legierungen. Science China Earth Science. 2-22.