آلیاژهای آنتروپی بالا – High Entropy Alloys

آلیاژهای انتروپی بالا – High Entropy Alloys
بیشتر آلیاژهای متداول بر پایه یک عنصر اصلی هستند. در آلیاژسازی، عناصر مختلف به عنصر اصلی افزوده می شوند تا خواص آن بهبود یابد. اما دسته جدیدی از آلیاژها ساخته شده اند که در ترکیب و ساختار خود، حداقل پنج عنصر اصلی با درصد اتمی برابر یا نزدیک به هم دارند. معمولا درصد اتمی هر عنصر بیش از ۵ درصد است.

انتروپی ترکیب شدن این آلیاژها، بیشینه است که موجب شده آن ها را آلیاژهای انتروپی بالا (HEA) نام گذاری کنند که تحت عنوان آلیاژهای چند-عنصری نیز شناخته می شوند. این آلیاژها استحکام تسلیم بسیار بالایی دارند که قابل قیاس با شیشه های فلزی حجیم است. بعلاوه، برخی از این آلیاژهای انتروپی بالا می توانند این استحکام بسیار بالا را تا دمای ۸۰۰ کلوین حفظ کنند، در حالی که شیشه های فلزی حجیم تنها تا دمای تبدیل شیشه خود می توانند استحکام خود را حفظ کنند.

این آلیاژها به دلیل چهار اثر اصلی، ۱) اثرات انتروپی بالا، ۲) نفوذ بسیار کند در ساختار، ۳) اعوجاج شدید شبکه، و اثرات کاکتیل (یعنی در اثر تغییر ترکیب و آلیاژسازی، خواص آلیاژ انتروپی بالا به شدت تغییر می کند)، متمایز از آلیاژهای متعارف هستند. در مطالعه این آلیاژهای مدرن، موضوعات داغی وجود دارد که شامل ترمودینامیک و کینتیک این سیستم، نموداری های فازی (نمودار فازی کاملی برای آن ها پیشنهاد نشده است) و بررسی خواص مکانیکی و فیزیکی آن ها می شود.

برخلاف آلیاژهای متداول، خواص مکانیکی آلیاژهای انتروپی بالا مستقل از عناصر تشکیل دهنده است. در واقع نوع ساختار، پارامتر تعیین کننده ای است که استحکام یا سختی نهایی آلیاژهای HEA را کنترل می کند. برای نمونه، آلیاژهای HEA با ساختار BCC، معمولا استحکام تسلیم بسیار بالا و پلاسیسیتۀ پایین دارند، اما ساختارهای FCC معمولا استحکام تسلیم پایین و پلاسیسیته بالایی دارند و انتظار می رود که ترکیب این دو ساختار، به خواص مکانیکی بهینه منجر شود.

آلیاژهای HEA از طریق فاز مایع (برای نمونه، ذوب قوسی)، از فاز جامد (آلیاژسازی مکانیکی، یک تکنیک حالت جامد انجام فرایند بر روی پورد که شامل جوش سرد، شکست و جوش مجدد ذرات پودری در آسیاب گلوله ای با انرژی بالا می شود)، از فاز گازی (از طریق تکنیک اسپاترینگ یا کند و پاش برای ساخت پوشش های مقاوم به سایش) و روش الکتروشیمیایی ساخته می شوند.

این آلیاژها خواص فوق العاده ای دارند که به طور خلاصه از نظر خواص مکانیکی می توان به سختی بسیار بالا، استحکام فشاری بسیار بالا در دمای محیط و دمای بالا، خواص کششی چشمگیر، اشاره کرد. مقاومت بالا به خستگی و خواص سایشی عالی از دیگر مزیت های آن ها هستند. (برای خلاصه، استحکام تسلیم آن ها از ۳۰۰MPa در ساختار FCC تا ۳۰۰۰MPa در ساختار BCC، متغیر است). همچنین برای نمونه، گزارش شده است که مقاومت به خوردگی آلیاژ Al0.5CoCrCuFeNi، بسیار بهتر از استینلس استیل ۳۰۴ است. پوشش کاربید آلیاژ HEA، سختی حدود ۳۱GPa، خواص اصطکاکی خوب و مقاومت به سایش بالا را نشان داده است.