Среднеэнтропийные сплавы
Среднеэнтропийные сплавы, СЭС (также англ. MEAs) — относительно новый класс сплавов, занимающих промежуточное положение между высокоэнтропийными и традиционными сплавами, в которых главную роль играет один металл (однокомпонентные сплавы) или два элемента (металл с металлом либо с неметаллом) как это происходит в бинарных сплавах. Первой важной особенностью среднеэнтропийных сплавов является их состав — они состоят из трёх или четырёх химических элементов (обычно — металлов), входящих в такой сплав «на равных» — их доли примерно равны и ни один из них невозможно выделить как «главный» или «основной». Вторая определяющая особенность, отличающая их от традиционных сплавов — формирование неупорядоченного твердого раствора замещения, в котором атомы входящих в сплав элементов имеют равную вероятность занять любой узел кристаллической решетки[1]. Это их отличает, например, от сплавов Гейслера, в которых элементы занимают узлы решётки в определённом порядке.
Понятие «среднеэнтропийные сплавы» появилось около 2004 года одновременно с термином «высокоэнтропийные сплавы» и их вместе иногда называют собирательно «сплавы Кантора» (в честь одного из первооткрывателей Брайона Кантора[англ.]) или «сплавы Кантора-Ву»[2]. Популярна также аббревиатура H/MEAs (от англ. high/medium-entropy alloys). Для обоих этих новых видов сплавов характерна более высокая чем у традиционных многокомпонентных сплавов энтропия смешения. В зависимости от её величины выделяют низкоэнтропийные (традиционные) сплавы (ΔSmix<0,69R), среднеэнтропийные сплавы (0,69R <ΔSmix<1,61R) и высокоэнтропийные сплавы (<ΔSmix≥1,61R), где R — газовая постоянная[3].
Получение
[править | править код]Большинство СЭС сегодня получают методами порошковой металлургии, спекая мелкодисперсные смеси исходных компонентов.
Свойства и применение
[править | править код]В настоящее время создано и изучено довольно большое количество различных по составу СЭС. Многие из таких сплавов демонстрируют очень ценные для практического применения свойства, а некоторые называют уникальными[4]. Одной из причин повышенного интереса к СЭС является их относительная дешевизна (в среднем) по сравнению с ВЭС. В ВЭС входит много компонентов, и значительная их часть может оказаться весьма дорогими и редкими. А СЭС позволяют получать весьма привлекательные характеристики при использовании даже относительно доступных металлов с невысокой стоимостью.
Тугоплавкость и жаропрочность
[править | править код]Вследствие своей структуры все СЭС имеют достаточно низкую теплопроводность[5]. Некоторые из них являются тугоплавкими — например, NbTiVZr[6] или AlxNb40Ti40V20-x (x = 0; 5; 10; 15; 20 ат.%)[7]. Сплавы алюминия, ниобия, титана и ванадия отличаются также прочностью и экстремально высокой пластичностью[8][9].
Упругость и прочность
[править | править код]Одной из серьёзных проблем металлургии является создание сплавов, которые не только имели бы высокую прочность и упругость, но и сохраняли бы их в максимально широком диапазоне температур. Например, сопла и камеры сгорания космических кораблей должны выдерживать огромные перепады температур — от почти абсолютного нуля (при выключенной тяге) до нескольких тысяч °С, очень высокие требования предъявляются к обтекателям и многим другим частям космических ракет[9]. Недавно полученный сплав Nb45Ta25Ti15Hf15 продемонстрировал высокую прочность и сопротивление разрушению при тестировании в диапазоне температур от −196 °C до до 1200 °C[10]. Перспективным для космоса и авиации является также сплав Al15Nb40Ti40V5, демонстрирующий высокую пластичность в широком температурном диапазоне[9].
Как и многие из высокоэнтропийных сплавов, СЭС могут показывать высокую прочностью и пластичностью при сверхнизких температурах. Одним из примеров может служить сплав железа с хромом и кобальтом или никелем, легированный углеродом Fе65(CoNi)25Cr9,5C0,5[11]
Биологическая совместимость
[править | править код]Многие СЭС весьма инертны и имеют при этом высокую биологическую совместимость, что делает их ценными для изготовления различного рода имплантов. Одним из таких сплавов является, например, NbTiZr[12]
Примечания
[править | править код]- ↑ З.Б. Батаева, А.А. Руктуев, И.В. Иванов, А.Б. Юргин, И.А. Батаев. Обзор исследований сплавов, разработанных на основе энтропийного подхода // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты) : журнал. — 2021. — Т. 23, № 2. — С. 116—146. — doi:10.17212/1994-6309-2021-23.2-116-146. Архивировано 19 октября 2023 года.
- ↑ Compositional phase stability in medium-entropy and high-entropy Cantor-Wu alloys from an ab initio all-electron Landau-type theory and atomistic modeling // Physical Review B. — 2022. — 17 марта (т. 105, № 11). — doi:10.1103/physrevb.105.115124. Архивировано 26 июля 2024 года.
- ↑ А. С. Рогачев. Структура, стабильность и свойства высокоэнтропийных сплавов // Физика металлов и металловедение : журнал. — 2020. — Т. 121, № 8. — С. 807–841. — doi:10.31857/S0015323020080094.
- ↑ Материаловеды повысили пластичность и прочность уникального тугоплавкого сплава. Рамблер/Новости (13 июня 2023). Дата обращения: 24 июля 2024. Архивировано 24 июля 2024 года.
- ↑ Е. Н. Япрынцева, О. Н. Иванов, А. Е. Васильев, М. Н. Япрынцев. Микроструктура и термоэлектрические свойства среднеэнтропийных соединений BiSbTe1.5Se1.5 и PbSnTeSe, полученных реакционным искровым плазменным спеканием // Физика и техника полупроводников : журнал. — 2022. — Т. 56, № 2. — С. 141—144. — doi:10.21883/FTP.2022.02.51950.15.
- ↑ Jia Y, Zhang L, Li P, Ma X, Xu L, Wu S, Jia Y and Wang G. Microstructure and Mechanical Properties of Nb–Ti–V–Zr Refractory Medium-Entropy Alloys (англ.) // Frontiers in Materials. — 2020. — 2 June (vol. 7). — doi:10.3389/fmats.2020.00172. Архивировано 24 июля 2024 года.
- ↑ Исследование структуры и механических свойств тугоплавких среднеэнтропийных сплавов на основе системы AlxNb40Ti40V20-x // Тезисы ХII Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» памяти академика Г.В. Курдюмова : сборник. — 2022. — Октябрь. — С. 58. — doi:10.26201/ISSP.2022/FPPK.056.
- ↑ Мария Недюк. Экстремальный сорт: ученые создали сверхпрочный и пластичный сплав. Аэрокосмос. Оперативные новости (13 июня 2023). Дата обращения: 26 июля 2024. Архивировано 27 июля 2024 года.
- ↑ 1 2 3 Получен самый пластичный тугоплавкий сплав для космоса и авиации. CoLab (13 июня 2023). Дата обращения: 2 августа 2024. Архивировано 3 августа 2024 года.
- ↑ Дарина Житова. Создан материал, который остается сверхпрочным и вязким при любых температурах. Хайтек+ (30 апреля 2024). Дата обращения: 24 июля 2024.
- ↑ Поволяева Е.А., Шайсултанов Д.Г., Степанов Н.Д., Жеребцов Е.В. Влияние деформации и отжига на структуру и механические свойства среднеэнтропийного сплава Fе65(CoNi)25Cr9,5C0,5 // Уральская школа молодых металловедов : материалы XXI Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов — молодых ученых (Екатеринбург, 7–11 февраля 2022 г.). — 2022. — 7-11 февраль. — С. 84—86. Архивировано 6 мая 2024 года.
- ↑ , "Низкомодульный металломатричный композит на основе среднеэнтропийного сплава", ru 2795128, published 28.04.2023, issued 20.07.2022