Високоентропійні сплави (ВЕС) з'явилися в переліку передових матеріалів не так давно, про їх успішну розробку було оголошено у 2004 році [1, 2], після чого вони стали важливим об'єктом для досліджень і застосування в різних галузях промисловості.

За останні кілька років інтерес до ВЕС стабільно зростає, що підтверджується збільшенням кількості наукових публікацій, присвячених цим матеріалам. За даними бази даних Scopus, до квітня 2021 року було опубліковано 3541 наукову публікацію, в яких розглядалися різні аспекти ВЕС, що свідчить про високу актуальність та потенціал досліджень в цій галузі [3].

ВЕС визначаються як сплави, що містять від 5 до 13 головних елементів, з атомним відсотком кожного елемента від 5% до 35%. Залежно від складу сплаву, ВЕС мають тенденцію утворювати прості фази твердого розчину, такі як ГЦК та ОЦК фази. З термодинаміки відомо, що система намагається мінімізувати свою вільну енергію Гіббса (ΔG_зміш) для досягнення стабільного або метастабільного стану рівноваги. ΔG_зміш визначається як:

ΔG_зміш= ΔH_зміш - ТΔS_зміш , (1)

де ΔH_зміш­ – ентальпія змішування, ΔS_зміш ­– ентропія змішування, Т –­ температура.

Зменшення ентальпії змішування або збільшення ентропії змішування може зменшити вільну енергію Гіббса. ΔS_зміш має чотири основні внески, такі як конфігураційний, вібраційний, магнітний диполь та електронна випадковість. У порівнянні зі звичайними сплавами, які зазвичай містять один або два основні елементи, конфігураційна ентропія в ВЕС значно вища.

Утворення простих багатоелементних твердих розчинів в високоентропійних сплавах залежить від конкуренції між ентальпією та ентропією (∆Н та T∆S). При високих температурах T∆S стає визначальним фактором і розглядається як основна причина утворення твердих розчинів в ВЕС.

Ентропія досягає максимуму, коли сплав має еквіатомне співвідношення, і виражається у рівнянні:

ΔS_зміш = R ln n , (2)

де R­ газова стала, (R = 8,314 Дж/К/моль), а n­ – кількість елементів.

З рівняння можна побачити, що конфігураційна ентропія зростає зі збільшенням кількості елементів. Після 13 елементів подальше збільшення  їх кількості дає обмежений внесок в ентропію змішування. Конфігураційна ентропія сплаву з п’ятьма елементами в ідеальному випадку становить 1,61 R. Висока ентропія змішування ефективно зменшує кількість фаз і збільшує взаємну розчинність між складовими елементами [4].

ВЕС визначаються як сплави, у яких конфігураційна ентропія у випадковому стані більше або дорівнює 1,5 R. Висока ентропія необхідна для утворення єдиного твердого розчину і запобігання утворенню багатофазних або інтерметалічні сполук. За допомогою конфігураційної ентропії ми також можемо визначити сплави із середньою та низькою ентропією, як 1,5 R це межа поділу між сплавом з високою та середньою ентропією, а 1,0 R – це межа поділу між низькоентропійними та середньоентропійними сплавами. Рис. 1 показує типи сплавів в залежності від ΔS_зміш [5].

Рис. 1. Типи сплавів на основі конфігураційної ентропії [4]

Застосування високоентропійних сплавів обумовлене поєднанням високих механічних та спеціальних властивостей, але їх виробництво на разі залишається дорогим, складним та не має промислових об’ємів. Одним з перспективних шляхів виготовлення комерційних високоентропійних та середньоентропійних сплавів є­ створення композицій на основі алюмінію. Цей метал має багато евтектичних діаграм стану з багатьма елементами періодичної системи, та має достатню розчинність тугоплавких компонентів у рідкому стані до температур 800-900 ⁰C. Це свідчить про можливість масштабного виробництва таких сплавів та виробів з них.

Хоча алюміній є сам по собі є пластичним елементом, збільшення його вмісту може фактично зміцнити ВЕС. На рис. 2 зображено, що у сплаву AlxCoCrCuFeNi значно підвищується твердість з додаванням алюмінію. Частково це пов’язано з утворенням твердої ОЦК-фази, а частково через сильніший когезійний зв’язок між алюмінієм та іншими елементами.

Рис. 2. Твердість сплавів Al_xCoCrCuFeNi, залежно від вмісту Al [6]

Ідея створення високоентропійних алюмінієвих сплавів базується головним чином на додаванні елементів, які сприятимуть утворенню упорядкованих, або частково упорядкованих інтерметалідів всередині алюмінієвої матриці [7, 8]. Зазвичай маються на увазі наступні елементи: Cu, Co, Cr, Fe, Ni, Ti, Zr , Мо, V, а також, нечасто і в малих кількостях – деякі РЗМ. Алюмінієві сплави з такими компонентами характеризуються утворенням широкого ряду сполук та структурно-фазових елементів, які здатні утворювати когерентні суміші з ОЦК або ГЦК структурою, або з надструктурою типу В2 (ОЦК). Така надструктура, в даному випадку, може бути представлена попарно взаємопроникаючими ґратками типу DO₃ та L1₂ або DO₂₂ та L1₂. Саме формування таких надструктур може забезпечити поєднання вкрай високих механічних та експлуатаційних характеристик високоентропійних алюмінієвих сплавів.

Література:

1. J.-W. Yeh, et al. (2004). Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: Novel alloy design concepts and outcomes. Advanced Engineering Materials. Vol. 6, no. 5, pp. 299–303, May 2004, doi: 10.1002/adem.200300567.

2. B. Cantor, I. T. H. Chang, P. Knight, and A. J. B. Vincent. (2004) Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. Materials Science and Engineering. Vol. 375–377, pp. 213–218, Jul. 2004, doi: 10.1016/j.msea.2003.10.257.

3. A. D. Akinwekomi and F. Akhtar.  (2022) Bibliometric mapping of literature on highentropy/multicomponent alloys and systematic review of emerging applications. Entropy. Vol. 24,no. 3, pp. 329, Feb. 2022, doi: 10.3390/e24030329.

4. J.-W. Yeh.(2013) Alloy design strategies and future trends in high-entropy alloys. JOM. Vol. 65, no. 12, pp. 1759–1771. doi: 10.1007/s11837-013-0761-6.

5. Z. Y. Zhang. (2016) High-Entropy Alloys. Cham: Springer International Publishing.  doi: 10.1007/978-3-319-27013-5.

6. Wang, Shaoqing. (2013). Atomic Structure Modeling of Multi-Principal-Element Alloys by the Principle of Maximum Entropy. Entropy. pp. 5536–5548.

7. Santodonato L. J., Liaw P. K., Unocic R. R., Bei H., Morris J. R. (2018). Predictive multiphase evolution in Al-containing high-entropy alloys. Nature communications. 9:4520. doi: 10.1038/s41467-018-06757-2

8. Miracle D. B., Senkov O. N.  (2017). A critical review of high entropy alloys and related concepts. Acta Materialia. Vol. 122. pp. 448–511.