Высокоэнтропийные сплавы (ГЭА)

Информация о продукте

Высокоэнтропийные сплавы (ГЭА) — это сплавы, которые образуются путем смешивания равных или относительно больших пропорций (обычно) пяти или более элементов. До синтеза этих веществ типичные металлические сплавы состояли из одного или двух основных компонентов с меньшим количеством других элементов. Например, в железо можно добавлять дополнительные элементы для улучшения его свойств, тем самым создавая сплав на основе железа, но, как правило, в довольно низких пропорциях, таких как пропорции углерода, марганца и других в различных сталях. Следовательно, высокоэнтропийные сплавы являются новым классом материалов. Термин «высокоэнтропийные сплавы» был придуман тайваньским ученым Цзянь-Вэй Йе, потому что увеличение энтропии при смешивании значительно выше, когда в смеси присутствует большее количество элементов, и их пропорции более близки к равенству. Некоторые альтернативные названия, такие как многокомпонентные сплавы, сложные по составу сплавы и многоэлементные сплавы, также предлагаются другими исследователями. К зрелым сплавам относятся W, Ta, Mo, Nb, V, Cr, Zr, Ti, Hf и другие металлы с равными и неравными атомными соотношениями в высокоэнтропийных сплавах. Обычные компоненты Co, Cr, Fe, Ni, Cu, Al могут быть расплавлены и разрезаны высокоэнтропийными сплавами различных систем в соответствии с требованиями заказчика к компонентам, а также обработаны Эти сплавы в настоящее время находятся в центре внимания значительного E FORUention в материаловедении и инженерии, поскольку они обладают потенциально желательными свойствами. Кроме того, исследования показывают, что некоторые ГЭА имеют значительно лучшее соотношение прочности к весу, с более высокой степенью сопротивления разрушению, прочности на разрыв, а также коррозионной и окислительной стойкости по сравнению с обычными сплавами.

Для тех сплавов, которые образуют твердые растворы, был предложен дополнительный эмпирический параметр, позволяющий предсказать кристаллическую структуру, которая будет формироваться. ГЭА обычно представляют собой FCC (лицевой кубический), BCC (телесно-центрированный кубический), HCP (шестиугольный плотно упакованный) или смесь вышеуказанных структур, и каждая структура имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения механических свойств. Существует множество методов прогнозирования структуры ГЭА. Валентная концентрация электронов (VEC) может быть использована для прогнозирования стабильности структуры HEA. Стабильность физических свойств HEA тесно связана с концентрацией электронов (это связано с правилом концентрации электронов из правил Юма-Ротери). Когда HEA изготавливается методом литья, при размере VEC больше 8 формируются только структуры FCC. Когда VEC находится в диапазоне от 6,87 до 8, HEA представляет собой смесь BCC и FCC, а когда VEC ниже 6,87, материалом является BCC. Для получения определенной кристаллической структуры ГЭА могут быть добавлены определенные фазостабилизирующие элементы. Экспериментально, добавление таких элементов, как Al и Cr и способствующих образованию ОЦК HEA, в то время как Ni и Co может способствовать образованию FCC HEA

Производство высокоэнтропийных сплавов

Высокоэнтропийные сплавы трудно изготовить с использованием существующих технологий и, как правило, требуют как дорогих материалов, так и специальных методов обработки. Высокоэнтропийные сплавы в основном производятся с использованием методов, которые зависят от фазы металлов – если металлы соединяются в жидком, твердом или газообразном состоянии. Большинство ГЭА были получены с использованием жидкофазных методов, включая дуговое плавление, индукционное плавление и затвердевание по Бриджмену. Твердотельная обработка обычно осуществляется путем механического легирования с использованием высокоэнергетической шаровой мельницы. При этом методе получаются порошки, которые затем могут быть обработаны с помощью традиционных методов порошковой металлургии или искрового плазменного спекания. Этот метод позволяет получать сплавы, которые было бы трудно или невозможно изготовить с помощью литья, такие как AlLiMgScTi. Газофазная обработка включает в себя такие процессы, как распыление или молекулярно-лучевая эпитаксия (МБЭ), которые могут быть использованы для тщательного контроля различных элементных составов для получения высокоэнтропийных металлических или керамических пленок. Аддитивное производство позволяет получать сплавы с различной микроструктурой, потенциально увеличивая прочность (до 1,3 гигапаскаля), а также повышая пластичность. Другие методы включают термическое напыление, лазерную наплавку и электроосаждение.

Свойства и потенциальное использование

• 1. Установлено, что кристаллическая структура ГЭА является доминирующим фактором в определении механических свойств. bcc HEA, как правило, имеют высокий предел текучести и низкую пластичность, и наоборот для FCC HEA. Некоторые сплавы были особо отмечены своими исключительными механическими свойствами. Тугоплавкий сплав VNbMoTaW сохраняет высокий предел текучести (>600 МПа (87 ksi)) даже при температуре 1400 °C (2550 °F), значительно превосходя обычные суперсплавы, такие как Inconel 718. Тем не менее, пластичность при комнатной температуре оставляет желать лучшего, меньше известно о других важных свойствах при высоких температурах, таких как сопротивление ползучести, а плотность сплава выше, чем у обычных жаропрочных сплавов на основе никеля.

• 2. Было обнаружено, что CoCrFeMnNi обладает исключительными низкотемпературными механическими свойствами и высокой вязкостью разрушения, при этом пластичность и предел текучести увеличиваются при снижении температуры испытания с комнатной температуры до 77 K (−321,1 °F). Это было связано с началом образования наноразмерных двойников, дополнительного механизма деформации, который не действовал при более высоких температурах. При сверхнизких температурах сообщалось о неоднородных деформациях по зазубринам. Таким образом, он может применяться в качестве конструкционного материала в низкотемпературных условиях или, благодаря своей высокой ударной вязкости, в качестве энергопоглощающего материала. Тем не менее, более поздние исследования показали, что сплавы с более низкой энтропией с меньшим количеством элементов или неэквиатомными составами могут иметь более высокую прочность или более высокую ударную вязкость. Переход от пластичности к хрупкому не наблюдался в сплаве bcc AlCoCrFeNi при испытаниях при давлении до 77 K.

• 3. Установлено, что Al0,5CoCrCuFeNi обладает высокой усталостной прочностью и пределом выносливости, возможно, превосходящим некоторые традиционные стальные и титановые сплавы. Но в результатах наблюдалась значительная вариативность, что говорит о том, что материал очень чувствителен к дефектам, возникающим во время производства, таким как частицы оксида алюминия и микротрещины.

• 4. Разработан однофазный нанокристаллический сплав Al20Li20Mg10Sc20Ti30 с плотностью 2,67 г см-3 и микротвердостью 4,9 – 5,8 ГПа, что дает ему расчетное отношение прочности к весу, сравнимое с керамическими материалами, такими как карбид кремния, хотя высокая стоимость скандия ограничивает возможности его использования.

• 5. В отличие от объемных ГЭА, мелкосерийные образцы ГЭА (например, микростолбики NbTaMoW) демонстрируют чрезвычайно высокий предел текучести в 4–10 ГПа, что на порядок выше, чем у его объемной формы, и их пластичность значительно улучшена. Кроме того, такие пленки HEA демонстрируют значительно повышенную устойчивость к высокотемпературным длительным условиям (при 1100 °C в течение 3 дней). Малогабаритные ГЭА, сочетающие в себе эти свойства, представляют собой новый класс материалов в малогабаритных устройствах, потенциально предназначенных для применения в условиях высоких нагрузок и высоких температур.

• 6. Получены новые типы ГЭА, основанные на тщательном размещении упорядоченных кислородных комплексов, тип упорядоченных интерстициальных комплексов. В частности, было показано, что сплавы титана, гафния и циркония обладают улучшенными характеристиками деформационного упрочнения и пластичности.

• 7. Bala et al. изучали влияние высокотемпературного воздействия на микроструктуру и механические свойства высокоэнтропийного сплава Al5Ti5Co35Ni35Fe20. После горячей прокатки и закалки на воздухе сплав подвергался воздействию температурного диапазона 650-900 °C в течение 7 дней. Закалка на воздухе вызвала γ′ осадков, равномерно распределенных по всей микроструктуре. Высокотемпературное воздействие приводило к росту γ′ частиц, а при температурах выше 700 °С наблюдалось дополнительное выпадение осадков в γ′. Самые высокие механические свойства были получены после воздействия 650 °C с пределом текучести 1050 МПа и пределом текучести при разрыве 1370 МПа. Повышение температуры еще больше снижало механические свойства.

• 8. Liu et al. исследовали серию четвертичных неэквимолярных высокоэнтропийных сплавов AlxCo15xCr15xNi70−x с x в диапазоне от 0 до 35%. Структура lE FORUice переходила от FCC к BCC по мере увеличения содержания алюминия, а при содержании Al в диапазоне от 12,5 до 19,3 % γ'-фаза формировала и упрочняла сплав как при комнатных, так и при повышенных температурах. При содержании Al на уровне 19,3 ат% сформировалась пластинчатая эвтектическая структура, состоящая из фаз γ' и B2. Благодаря высокой γ'-фазовой доле 70 об.% сплав имел предел текучести при сжатии 925 МПа и деформацию разрушения 29% при комнатной температуре, а также высокий предел текучести при высоких температурах со значениями 789, 546 и 129 МПа при температурах 973, 1123 и 1273 К.

• 9. В целом, тугоплавкие высокоэнтропийные сплавы обладают исключительной прочностью при повышенных температурах, но хрупки при комнатной температуре. Исключением является сплав HfNbTaTiZr с пластичностью более 50% при комнатной температуре. Однако его прочность при высокой температуре недостаточна. С целью повышения прочности при высоких температурах Chien-Chuang et al. модифицировали состав HfNbTaTiZr и студи.

• 10. CoCrCuFeNi - это сплав FCC, который был признан парамагнитным. Но при добавлении титана он образует сложную микроструктуру, состоящую из твердого раствора FCC, аморфных областей и наночастиц фазы Лавеса, что приводит к суперпарамагнитному поведению. Высокая магнитная коэрцитивность была измерена в сплаве BiFeCoNiMn. Существует несколько магнитных высокоэнтропийных сплавов, которые демонстрируют многообещающие свойства мягкого магнита с сильными механическими свойствами. Сверхпроводимость наблюдалась в сплавах TaNbHfZrTi с температурами перехода от 5,0 до 7,3 К

• 11. Высокая концентрация нескольких элементов приводит к медленной диффузии. Было обнаружено, что энергия активации для диффузии для некоторых элементов в CoCrFeMnNi выше, чем в чистых металлах и нержавеющих сталях, что приводит к более низким коэффициентам диффузии. Также сообщалось, что некоторые экваатомные многокомпонентные сплавы демонстрируют хорошую устойчивость к повреждениям энергетическим излучением. Высокоэнтропийные сплавы исследуются для применения в системах хранения водорода. Некоторые высокоэнтропийные сплавы, такие как TiZrCrMnFeNi, демонстрируют быстрое и обратимое хранение водорода при комнатной температуре с хорошей емкостью для коммерческого применения. Высокоэнтропийные материалы обладают большим потенциалом для более широкого спектра энергетических применений, особенно в виде высокоэнтропийной керамики

Виды высокоэнтропийных сплавов

Упаковка высокоэнтропийных сплавов

Стандартная упаковка:

Типичная оптовая упаковка включает в себя паллетированный пластик 5 галлонов/25 кг. ведра, бочки с фиброй и сталью до 1 тонны супермешков в полных контейнерах (FCL) или грузовиках (T/L). Исследуемые и отобранные количества, а также гигроскопичные, окисляющие или другие чувствительные к воздуху материалы могут быть упакованы в условиях аргона или вакуума. Растворы упаковываются в полипропиленовые, пластиковые или стеклянные банки объемом до 440 галлонов для жидкости на поддонах Специальная упаковка доступна по запросу.

Высокоэнтропийные сплавы E FORUs бережно обрабатываются, чтобы свести к минимуму повреждения при хранении и транспортировке и сохранить качество нашей продукции в ее первоначальном состоянии.