Einige wichtige Aspekte der hochentropischen Legierung, die Sie kennen müssen

Einleitung

Hochentrope Metalllegierungen (HEAs) sind eine neue Klasse von Werkstoffen, die sich als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Legierungen entwickelt haben. Im Folgenden finden Sie einige wichtige Fakten über HEAs, die Sie beachten sollten. Wir hoffen, dass Sie ein besseres Verständnis für diese Werkstoffe der Zukunft entwickeln können.

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Abbildung 1. Beispiele für hochentrope Legierungen

Was ist eine hochentrope Legierung?

-Definition

Einehochentropische Legierung(HEA) ist ein fortschrittlicher Werkstoff mit 5 oder mehr metallischen Elementen, ungeordneten Strukturen und hoher Entropie. HEAs unterscheiden sich deutlich von herkömmlichen Legierungen. Sie basieren nicht auf einem Hauptbestandteil, sondern setzen sich aus mehreren Hauptelementen zusammen. HEA enthalten nämlich mindestens 5 Elemente, und der Anteil jedes Elements ist gleich oder annähernd gleich. Diese Legierungen zeichnen sich auch durch eine hohe Entropie aus, was zu ihren einzigartigen Eigenschaften und Anwendungen führt.

-Eigenschaften

HEAs weisen eine überlegene Kombination von Eigenschaften auf, die bei herkömmlichen Legierungen nicht zu finden sind. Zu diesen Merkmalen gehören hohe Festigkeit, Duktilität und thermische Stabilität. Diese Legierungen weisen auch eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperatureigenschaften auf, was sie zu einem idealen Kandidaten für den Einsatz in rauen Umgebungen macht.

VNbMoTaW zum Beispiel besitzt eine hohe Streckgrenze von über 600 MPa (87 ksi), selbst bei einer Temperatur von 1.400 °C. CoCrFeMnNi hat außergewöhnliche mechanische Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen und eine hohe Bruchzähigkeit. Al0,5CoCrCuFeNi weist im Vergleich zu herkömmlichen Stahl- und Titanlegierungen eine hohe Ermüdungslebensdauer und Dauerfestigkeit auf.

-Herstellung

Die Herstellung von HEAs erfordert aufgrund ihrer komplexen Zusammensetzung und Mikrostruktur spezielle Techniken, wie z. B. Pulvermetallurgie, Elektroabscheidung und mechanisches Legieren. Die meisten von ihnen werden durch Lichtbogenschmelzen und Induktionsschmelzen hergestellt. Sputtern, Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder mechanisches Schmelzen können ebenfalls eingesetzt werden. Diese Techniken ermöglichen die Herstellung von HEAs mit maßgeschneiderten Eigenschaften und Mikrostrukturen, die für bestimmte Anwendungen geeignet sind.

Abbildung 2. HEA-Herstellungsmethoden

-Anwendung

HEAs haben sich in verschiedenen Anwendungen als vielversprechend erwiesen, darunter thermoelektrische Hochtemperaturanwendungen, verschleißfeste Beschichtungen und Strukturmaterialien. Sie wurden auch für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und in der Biomedizin erforscht. Die einzigartige Kombination von Eigenschaften, die HEAs aufweisen, macht sie zu idealen Kandidaten für den Einsatz in rauen Umgebungen, in denen herkömmliche Legierungen versagen können.

HEAs werden auch in der Automobilindustrie zur Herstellung von Motorenteilen, Antriebskomponenten und anderen Strukturbauteilen verwendet. Darüber hinaus sind diese Legierungen dank ihrer Strahlungs- und Korrosionsbeständigkeit vielversprechende Werkstoffe für nukleare Anwendungen.

Vier Grundprinzipien der hochentropen Legierung

Fahren wir mit dem Artikel fort, indem wir die Grundprinzipien der hochentropen Legierungen kennenlernen.

1. die entropische Stabilisierung von festen Lösungen

Der erste Kerneffekt ist die entropische Stabilisierung. Er bezieht sich auf das Phänomen, dass die hohe Konfigurationsentropie zur Stabilisierung der Mischkristallphase führt. Das bedeutet, dass der Mischkristall aufgrund der niedrigeren Gibbs-Energie stabiler ist als die intermetallische Phase. [2]

2. die starke Verzerrung ihrer Gitter

Zweitens ist das HEA-Gitter aufgrund der Größenunterschiede zwischen den Legierungselementen stark verzerrt, was sich auf vielfältige Weise auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der HEA auswirkt.

3. schleppende Diffusionskinetik

HEA weist außerdem eine langsame Diffusionskinetik auf. Dies liegt vor allem daran, dass Atome in festen Lösungen mit hohen Konzentrationen vieler Elemente schwieriger diffundieren.

4. der Cocktail-Effekt

Schließlich sind HEA-Zusammensetzungen komplex, da mehrere Elemente miteinander interagieren, was zu ungewöhnlichen Verhaltensweisen führt, die nicht auf der Grundlage der Eigenschaften einzelner Elemente vorhergesagt werden können. Dieses Phänomen wird als Cocktaileffekt bezeichnet. Diese Wechselwirkungen zwischen den Elementen können zu besonderen, schwer vorhersagbaren Eigenschaften führen.

Schlussfolgerung

Kurz gesagt, hochentrope Legierungen bieten eine außergewöhnliche Kombination von Eigenschaften, speziellen Produktionsmethoden und Eignung für verschiedene Anwendungen. Sie sind auch bekannt für (1) die entropische Stabilisierung, (2) die starke Verzerrung ihres Gitters, (3) die langsame Diffusionskinetik und (4) den Cocktaileffekt. Mit der weiteren Erforschung von HEAs wird wahrscheinlich ihr volles Potenzial ausgeschöpft werden, was zur Entwicklung von noch fortschrittlicheren Materialien für verschiedene Anwendungen führen wird. Stanford Advanced Materials (SAM) ist ein zuverlässiger Lieferant von hochentropen Legierungen. Schicken Sie uns eine Anfrage, wenn Sie interessiert sind.

Referenz:

[1] Saro San, Yang Tong, Hongbin Bei, Boopathy Kombaiah, Yanwen Zhang, Wai-Yim Ching, First-principles calculation of lattice distortions in four single phase high entropy alloys with experimental validation, Materials & Design, Volume 209, 2021, 110071, ISSN 0264-1275, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110071.

[2] Pickering, E., & Jones, N. (2016). High-Entropy Alloys: A critical assessment of their founding principles and future prospects. International Materials Review. https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1180020