Hoch-Entropie-Legierungspulver - HEA

Was ist eine Hoch-Entropie-Legierung?

Hochentrope Legierungen (HEAs) sind neue Werkstoffe, die in der Regel aus fünf oder mehr Metallen in gleichen oder nahezu gleichen Anteilen bestehen und außergewöhnliche Eigenschaften aufweisen. Die vier Kerneffekte von HEAs wirken zusammen und unterscheiden sie von herkömmlichen Legierungen:

• Hoch-Entropie-Effekt: Aufgrund der nahezu äquimolaren Vermischung mehrerer Elemente ist die Konfigurationsentropie von hochentropischen Legierungen deutlich erhöht, typischerweise ≥1,5R (R ist die Gaskonstante). Dieser Hochentropie-Effekt fördert die Stabilität einer einzelnen Phase in fester Lösung (z. B. FCC- oder BCC-Strukturen) und unterdrückt gleichzeitig die Bildung komplexer Verbindungen oder intermetallischer Verbindungen. Dies geschieht durch die Senkung der freien Gibbs-Energie des Systems (ΔG = ΔH - TΔS), wodurch die thermodynamische Stabilität der Festlösungsphase bei hohen Temperaturen erhöht wird.
• Gitterverzerrungseffekt: Die Unterschiede in der atomaren Größe und den chemischen Eigenschaften der einzelnen Elemente in HEAs führen zu einer erheblichen Gitterverzerrung. Diese Verzerrung verbessert die Festigkeitssteigerung in fester Lösung und erhöht die Festigkeit und Härte der Legierung, während sie gleichzeitig die atomare Diffusionsrate verlangsamt, was die Kriechfestigkeit und die thermische Stabilität verbessert.
• Schleppender Diffusionseffekt: Die Komplexität, die sich aus der Multielement-Zusammensetzung ergibt, führt zu langsameren atomaren Diffusionsraten in HEAs im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen. Dieser langsame Diffusionseffekt verzögert die Phasentrennung, das Kornwachstum und die Gefügeentwicklung, wodurch die Stabilität bei erhöhten Temperaturen verbessert und die Lebensdauer verlängert wird.
• Cocktail-Effekt: Das synergetische Zusammenspiel mehrerer Elemente führt zu unerwarteten Kombinationen von Eigenschaften, ähnlich wie das Mischen von Zutaten in einem Cocktail, um einen einzigartigen Geschmack zu erzeugen. Dieser Effekt ermöglicht es HEAs, die Stärken einzelner Elemente (z. B. Festigkeit, Duktilität, Korrosionsbeständigkeit) zu vereinen, wodurch die Leistungsgrenzen von Einzelelement-Systemen oft überschritten werden und ein breites Spektrum an funktionellen Eigenschaften entsteht.

Nach der Anzahl der Elemente und dem Entropiewert eingeteilt, gibt es auch Legierungen mit mittlerer Entropie und Legierungen mit niedriger Entropie. Mittelentrope Legierungen bestehen in der Regel aus 3 bis 4 Elementen mit einem Entropiewert zwischen 1,0R und 1,5R und bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit und Zähigkeit. Im Gegensatz dazu ähneln Legierungen mit niedriger Entropie den herkömmlichen Legierungen und enthalten in der Regel 1 bis 2 Primärelemente und weisen homogenere Eigenschaften auf. Die wichtigsten Unterschiede lassen sich wie folgt zusammenfassen: