Quali sono le differenze tra le leghe tradizionali e quelle ad alta entropia?
Introduzione
Le leghe tradizionali e le leghe ad alta entropia (HEA) sono due tipi di materiali utilizzati in varie applicazioni. Entrambe sono composte da elementi metallici, ma esistono diverse differenze fondamentali tra queste leghe. In questo articolo esploreremo le differenze tra le leghe tradizionali e le HEA, tra cui la composizione, le microstrutture, le proprietà, le applicazioni e i metodi di produzione.
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Figura 1. Modello automatico delle HEA
Introduzione alle leghe tradizionali e alle leghe ad alta entropia
Le leghetradizionali combinano un elemento metallico con altri elementi metallici o non metallici. Questi tipi di leghe conservano alcune proprietà del metallo di base originale, pur modificandone alcune caratteristiche, come l'aumento della resistenza o la promozione della duttilità.
Esiste un'ampia gamma di elementi di lega che possono essere aggiunti ai metalli di base. Il cromo viene comunemente aggiunto per migliorare la resistenza alla corrosione delle leghe; il tungsteno è un elemento di lega metallica utilizzato per migliorare la resistenza all'usura alle alte temperature; mentre l'aggiunta di carbonio è frequente nelle leghe di acciaio e ghisa per migliorare la resistenza.
Le leghe ad alta entropia si riferiscono a leghe contenenti 5 o più elementi principali, ognuno dei quali ha una percentuale atomica compresa tra il 5% e il 35%. L'inclusione di più elementi determina una struttura complicata e un effetto di elevata entropia, che determina le proprietà fisiche e meccaniche uniche delle HEA rispetto alle leghe convenzionali.
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Leghe tradizionali VS leghe ad alta entropia
--Composizione
Le leghe tradizionali e le leghe ad alta entropia hanno composizioni di elementi diversi. Ad esempio, le leghe tradizionali sono tipicamente composte da due o tre elementi metallici in proporzioni variabili. Le leghe HEA, invece, contengono almeno cinque elementi in proporzioni atomiche uguali o approssimativamente uguali. Inoltre, nelle leghe tradizionali il metallo di base rappresenta la proporzione maggiore, mentre nelle leghe ad alta entropia gli elementi occupano proporzioni uguali o quasi uguali.
--Microstruttura
La diversa composizione si traduce in strutture diverse. Le leghe tradizionali presentano in genere una microstruttura ben definita, come una struttura eutettica o dendritica, mentre le HEA presentano una microstruttura disordinata e omogenea. La natura disordinata degli HEA porta a una distribuzione casuale degli atomi, che riduce il verificarsi di trasformazioni di fase, anche ad alte temperature.
--Proprietà
Le leghe tradizionali presentano una serie di proprietà che dipendono dalla loro composizione e microstruttura. Ad esempio, alcune leghe tradizionali possono essere forti ma fragili, mentre altre possono essere duttili ma con una bassa resistenza.
Al contrario, le HEA mostrano una combinazione superiore di proprietà, tra cui elevata resistenza, duttilità e stabilità termica, grazie alla loro microstruttura disordinata. Ad esempio, il VNbMoTaW è una notevole lega refrattaria con un'elevata resistenza allo snervamento di oltre 600 MPa (87 ksi) anche a una temperatura di 1.400 °C, che potrebbe addirittura superare le superleghe convenzionali.
--Applicazioni
Le leghe tradizionali sono materiali popolari utilizzati in varie applicazioni, come quelle automobilistiche, aerospaziali ed edilizie.
Gli HEA, invece, sono una classe di materiali relativamente nuova, ancora in fase di esplorazione per le loro potenziali applicazioni. Si sono dimostrati promettenti in diverse applicazioni, tra cui applicazioni termoelettriche ad alta temperatura, rivestimenti resistenti all'usura e materiali strutturali.
Ad esempio, gli HEA sono utilizzati nell'industria automobilistica per la produzione di parti del motore, componenti della trasmissione e altre attrezzature strutturali. Queste leghe sono anche promettenti materiali per applicazioni nucleari, grazie alle loro proprietà meccaniche ad alta temperatura e alla resistenza alle radiazioni e alla corrosione.
-Produzione
Il processo di preparazione delle leghe convenzionali è relativamente semplice, mentre esistono diversi approcci per produrre leghe ad alta entropia.
Le leghe tradizionali sono tipicamente prodotte con metodi convenzionali, come la fusione, l'estrusione e la forgiatura. In genere, il processo prevede la fusione, la miscelazione, la solidificazione e il successivo raffreddamento.
Tuttavia, la produzione di HEA richiede tecniche specializzate (vedi Figura 2) a causa della loro complessa composizione e microstruttura. La maggior parte di essi viene prodotta con fusione ad arco e a induzione. La lavorazione allo stato solido impiega leghe meccaniche. La lavorazione in fase gassosa utilizza lo sputtering o l'epitassia a fascio molecolare (MBE).
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Figura 2. Fabbricazione di HEA
Conclusioni
In sintesi, le leghe tradizionali e le leghe ad alta entropia differiscono per composizione, microstruttura, proprietà, applicazioni e metodi di produzione. Mentre le leghe tradizionali hanno una microstruttura e proprietà ben definite, le HEA offrono una combinazione unica di proprietà grazie alla loro microstruttura disordinata e omogenea. Gli HEA sono una classe di materiali promettenti per varie applicazioni e sono ancora in fase di esplorazione per sfruttarne appieno il potenziale. Stanford Advanced Materials (SAM) è un fornitore affidabile di leghe ad alta entropia. Per ulteriori informazioni, visitate la nostra homepage.
Riferimenti:
[1] Lega ad alta entropia. (2023, 5 giugno). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/High-entropy_alloy#See_also
[2] Zhang, Wei & Zhang, Yong. (2018). Scienza e tecnologia delle leghe ad alta entropia. Scienza Cina Scienza della Terra. 2-22.
