Diversi aspetti importanti della lega ad alta entropia che è necessario conoscere
Introduzione
Le leghe metalliche ad alta entropia (HEA) sono una nuova classe di materiali che si stanno affermando come promettenti alternative alle leghe tradizionali. Ecco alcuni fatti importanti da considerare sulle HEA. Ci auguriamo che possiate avere una migliore comprensione di questi materiali del futuro.
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Figura 1. Esempi di leghe ad alta entropia
Che cos'è una lega ad alta entropia?
--Definizione
Unalegaad alta entropia, o HEA, è un materiale avanzato con 5 o più elementi metallici, strutture disordinate ed elevata entropia. Le HEA sono molto diverse dalle leghe tradizionali. Non si basano su un componente principale, ma sono composte da diversi elementi principali. In particolare, le HEA contengono almeno 5 elementi e la proporzione di ogni elemento è uguale o approssimativamente uguale. Queste leghe sono inoltre caratterizzate da un'elevata entropia, che ne determina proprietà e applicazioni uniche.
--Proprietà
Le HEA presentano una combinazione superiore di proprietà che non si trovano nelle leghe tradizionali. Queste caratteristiche includono elevata resistenza, duttilità e stabilità termica. Queste leghe presentano anche un'eccellente resistenza all'usura, alla corrosione e alle alte temperature, che le rendono un candidato ideale per l'uso in ambienti difficili.
Ad esempio, il VNbMoTaW possiede un'elevata resistenza allo snervamento di oltre 600 MPa (87 ksi) anche a una temperatura di 1.400 °C. Il CoCrFeMnNi presenta eccezionali proprietà meccaniche a bassa temperatura ed elevata tenacità alla frattura. Mentre Al0,5CoCrCuFeNi presenta un'elevata durata a fatica e un limite di resistenza rispetto alle leghe convenzionali di acciaio e titanio.
--Produzione
La produzione degli HEA richiede tecniche specializzate, come la metallurgia delle polveri, l'elettrodeposizione e la lega meccanica, a causa della loro complessa composizione e microstruttura. La maggior parte di essi è prodotta con fusione ad arco e a induzione. Si possono utilizzare anche lo sputtering, l'epitassia a fascio molecolare (MBE) o la fusione meccanica. Queste tecniche consentono di creare HEA con caratteristiche e microstrutture personalizzate, adatte ad applicazioni specifiche.
Figura 2. Metodi di produzione di HEA
--Applicazioni
Gli HEA si sono dimostrati promettenti in varie applicazioni, tra cui applicazioni termoelettriche ad alta temperatura, rivestimenti resistenti all'usura e materiali strutturali. Sono stati esplorati anche per l'uso in applicazioni aerospaziali, automobilistiche e biomediche. La combinazione unica di proprietà esibite dagli HEA li rende un candidato ideale per l'uso in ambienti difficili, dove le leghe tradizionali potrebbero fallire.
Le HEA possono essere utilizzate anche nell'industria automobilistica per realizzare parti di motore, componenti della trasmissione e altre attrezzature strutturali. Inoltre, queste leghe sono materiali promettenti per le applicazioni nucleari, grazie alla loro resistenza alle radiazioni e alla corrosione.
Quattro principi fondamentali delle leghe ad alta entropia
Proseguiamo l'articolo conoscendo i principi fondanti delle HEA.
1. La stabilizzazione entropica delle soluzioni solide
Il primo effetto fondamentale è la stabilizzazione entropica. Si riferisce al fenomeno per cui l'elevata entropia configurazionale porta alla stabilizzazione della fase della soluzione solida. Ciò significa che la soluzione solida è più stabile della fase intermetallica grazie alla minore energia di Gibbs. [2]
2. La grave distorsione dei loro reticoli
In secondo luogo, il reticolo dell'HEA è significativamente distorto a causa delle differenze dimensionali tra gli elementi di lega, con molteplici effetti sulle proprietà fisiche e meccaniche dell'HEA.
3. Cinetica di diffusione lenta
Inoltre, l'HEA mostra una cinetica di diffusione lenta. Ciò è dovuto principalmente al fatto che gli atomi si diffondono più difficilmente attraverso soluzioni solide con alte concentrazioni di molti elementi.
4. Effetto cocktail
Infine, le composizioni di HEA sono complesse poiché più elementi interagiscono tra loro, dando luogo a comportamenti insoliti che non possono essere previsti in base alle proprietà dei singoli elementi. Questo fenomeno è chiamato effetto cocktail. Queste interazioni tra elementi possono dare luogo a proprietà particolari ma difficili da prevedere.
Conclusione
In sintesi, le leghe ad alta entropia offrono una combinazione eccezionale di proprietà, metodi di produzione specializzati e idoneità a varie applicazioni. Sono inoltre note per (1) la stabilizzazione entropica (2) la grave distorsione dei loro reticoli, (3) la lenta cinetica di diffusione e (4) l'effetto cocktail. Con il proseguimento della ricerca sugli HEA, è probabile che si realizzi il loro pieno potenziale, portando allo sviluppo di materiali ancora più avanzati da utilizzare in varie applicazioni. Stanford Advanced Materials (SAM) è un fornitore affidabile di leghe ad alta entropia. Se siete interessati, inviateci una richiesta.
Riferimenti:
[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). Leghe ad alta entropia: Una valutazione critica dei loro principi fondanti e delle prospettive future. International Materials Review. https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1180020
