Yüksek Entropy Alloys Nedir?

Yüksek performanslı alaşımlar (HEPA) metalurjide temel bir değişim temsil eder. Geleneksel alaşımlar bir veya iki temel elementin etrafında inşa edilir - çelikte nikel, süper bütünlüklerde alüminyum, tipik olarak bir yüz metre (FCC) veya vücut destekli küpler (BCC) ile, çok sayıda kontrasepsiyonel bileşikleri oluşturmak yerine, son derece karmaşık bir şekilde ayarlanan bir kontrasepsiyonel bir şekilde karıştırılır.

Konsept ilk olarak 2000'lerin başlarında J.W. Yeh ve ekibi Tayvan'da ve İngiltere'deki Brian Cantor tarafından bağımsız olarak araştırıldı. öncü çalışmaları FeCrMnNiCoç gibi alaşımların (parçalı alaşım) birçok element içeren basit sağlam çözümler oluşturabileceğini gösterdi.O zamandan beri, alan aynı latti, binlerce kompozisyonla birlikte, Dökezyumdaki atomik düzeltmelerin davranışının (eski) üzerindeki etkisini gösterdi.

Yüksek Entropy Etkisi

Termodinamik rasyonel basit: birçok elementi karıştırın, sistemin konfigürasyonal entropisini arttırır, geniş bir sıcaklık aralığında tek bir aşamayı stabilize etmek için yeterli olur.Bu etki, temel elementlerin sayısı arttıkça daha belirgin hale gelir.

Severe Lattice Distortion

Farklı boyutlardaki atomlar –örneğin, büyük bir Dijital ve küçük alüminyum – ortak bir lattice paylaşıyor, lattice son derece bozuk oluyor. Bu dems dislokasyon hareketini bozar, yüksek sıcaklıklarda bile dikkat çekici güç ve sertliğe yol açar.

Sluggish Diffüzyon

Yoğun bir rastgele sağlam çözümde, diffüzyon katları genellikle saf metaller veya dilsel alaşımlar için daha düşük. Atom atlar için enerjik engeller, farklı yerel ortamlar nedeniyle daha yüksektir. Bu sluggish diffüzyonlar yüksek sıcaklıklarda ürpertici direnç ve faz stabilitesi - hem de ısı koruyucu malzemeler için uzun süre maruz kalmaları gereken önemli ölçüde önemlidir.

Cocktail Etkisi

Belki de en heyecan verici yönü: HEAs genellikle rerakter elementlerinin ağırlıkları değil, örneğin alüminyumu bir CoCrFeNiC'ye ekleyerek, SW'den BCC'ye bir faz dönüşümü tetikleyebilir, aynı şekilde, rerakter elementlerin kombinasyonu (W, Ta, Mo, Nb) herhangi bir geleneksel süpersiyahı ortadan kaldırmak için alaşımlar üretebilir. Bu “kurallar” sinerji, malzemelere dramatik olarak artacaktır.

Heat Shield Malzemeler Neden Yeniliğe İhtiyacı Var

Heat kalkanları uzay aracı, hipersonik araçlar ve aşırı termal yüklerden yeniden-kanser kapsülleri koruyabilir - sıcaklıklar 2000 °C'yi geçebilir, şiddetli oxidatif ve erosive ortamlar.Mevcut malzemeler karbon-karbon kompozitleri içerir, abla polimerler (örneğin, fendili karbon ablacı, PICA), ve seramik matrisler (CMC'leri).

Karbon-Carbon Kompozitlerinin Sınırları

Karbon-karbon (C/C) kompozitler mükemmel yüksek sıcaklık gücü ve termal iletkenlik sunar, ancak tekrarlanan termal bisiklet altında tekrarlanan 400 °C'nin üzerinde oksitlenirler. Üretim süreci enerji yoğundur, çok sayıda kimyasal buhar infiltasyonu ve grafikizasyon gerektirir.

Ablative Materials Limitations of Ablative Materials

Ablatives, piroliz ve kitlesel kayıplarla ısınıyor - kendilerini feda ediyorlar. Bu, onların yeniden kullanılabilirliğini sınırlandırır; her görev aynı zamanda önemli bir kitleye ihtiyaç duyar, ödeme yükü kapasitesini azaltır. uzun süredir hipersonik uçuş (örneğin, scramjets), ablatives şeklini sürdüremez ve erozyon ürünlerini de hassas aletleri azaltabilir.

Seramik Matrix Kompozitlerinin Sınırları

SiC/SiC ( ⁇ elyaflar bir silikon makülatörü) gibi CMC'ler süper saflardan daha hafiftir ve yüksek sıcaklıklara dayanabilirler, ancak bir sonraki nesil ısı kalkan uygulamaları da acı çekerler.

Yüksek performanslı alaşımlar umut verici bir alternatif sunuyor.Onlar atılması, forged ve katkılı olarak üretilen - intrinsic yüksek sıcaklık direnci ile - onları yıkıcı bir ısı koruyucu sınıfı olarak konumlandırıyor.

Heat Shield Uygulamaları için HEAs'ın Avantajları

HEAs'in eşsiz yapısal özellikleri, geleneksel ısı kalkan malzemelerinin eksikliklerine doğrudan hitap eden birkaç mühendislik faydalarına dönüşür.

Dışsal Yüksek Çağlar

Birçok HEAs, özellikle de rerakter tipi (RHEAs), mekanik gücünü 1600 °C'de yüksek oranda koruyor - bu da 650°C'nin üzerinde hızla yumuşatılan Inconel 718'un ötesine geçiyor. Bu stabiliteler 280 °C'nin üzerinde bir erime noktası var ve bu tür bir ısı kalkanı üzerinde bir güç tutuyor.

Üstün Oxidation ve korozyon Direnişi

Tüm HEAs'lar, alüminyum, kromat içeren kompozisyonlar ve silikon koruyucu oksit ölçekleri oluşturabilir (Al2O3, Cr2O3, SiO2) yüksek sıcaklıklarda istikrarlı olan, yüksek sıcaklıklarda kullanılan kokteyl etkisi, yavaş büyüyen, yapışkan bir ölçek oluşturmak için kullanılabilir. Örneğin, AlCoCrFe'de son çalışmalar mükemmel oxidasyon direncini 1200 °C'ye kadar gösterdi.

Yüksek Mekanik Güç ve Zorluk

HEAs, yüksek sıcaklık malzemelerinde nadir olan bir güç ve iyonite kombinasyonu sergilemektedir. Cantor alaşımı (CoCrFeMnNi) oda sıcaklığında nihai bir çekme gücü gösterir ve düktif sıcaklıklara kadar olan ısıtılabilirliği korur.Rerakter HEAs, sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık Ti veya Zr.

Hafif Potansiyel

Birçok HEAs, Ni tabanlı süperalloys'tan (örneğin, yüksek sıcaklık gücü ile 13 g /cm3'ü aşabilir, ancak dikkatli kompozisyon seçimi daha hafif alternatifleri verebilir. Örneğin, Al20Mg10Sc20Ti30Zr20 (a hafif yüksek performanslı alaşım) ısıtıcı bir alaşımı gösterir.

Tailorable Termal Özellikler

Suk iletkenliği ve ısı genişleme katsamı, farklı kompozisyonla ayarlanabilir. Bir ısı kalkanı için, düşük termal iletkenlik, ısıtımı katarak, Hf veya toprak nadirleri gibi tabakaları dengelemek için daha uygun bir şekilde hareket edebilir.En son çalışma (FeCoNiCr)90Al10 paslanmaz çeliklere benzer iletkenlik değerleri gösterir (~15 W/m·K), ancak Hf veya toprak nadirleri ekleyerek katmanları daha uygun bir şekilde değiştirme yeteneği ile.

Son Yeni Yenilikler ve Araştırma Yolu

Son beş yıl, HEA araştırmalarının ısı kalkan uygulamaları hedeflediğini gördü. Birkaç umut verici avenues ortaya çıktı.

Yüksek-Throughput tarafından kompozisyon optimizasyonu

Kaliforniya Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, yeni refrakter HEAs ile optimize edilmiş termomekanik özellikleri tespit etmek için aktif bir öğrenme algoritması kullandı.Bir aday NbTaZrHf, bu yaklaşımın küçük eklerinden sonra oksidasyon direncini araştırmak için kullanılan bir yöntemdi.

Ek olarak HEA Heat Shield Bileşenler

Lazer toz yatak füzyon (L-PBF) ve yönlendirilen enerji ayrıştırma (DED) karmaşık, hızlı bir şekilde mekanik özellikleri daha da güçlendirerek üretilen ince mikro yapılara sahiptir.Örneğin, NASA'nın Glenn Araştırma Merkezi'ndeki araştırmacılar, aşırı ortamlar için baskı yapan CoCrFen ısı kalkan panellerini başarıyla yazdırdı.

Üstün Termal Stability ile Rerakter High-Entropy Alloys with Superior Heat Stability

En ısıya dayanıklı HEAs, gruplar IV-VI: W, Ta, Mo, Nb, Hf, Zr, Ti, V. Önemli bir örnek NbMoTaW, ki bu alaşımlar genellikle zayıf oxidasyon direncinden muzdariptir. Son zamanlarda bunları Al2O3-bilgiler kataraktları veya Cr ve Al'i matrixe dahil etmek.

Faz İstikrar ve Mikrostructural Mühendislik

Tüm HEAs yüksek sıcaklıklarda tek fazlı değil; bazı dekomposeleri birden çok aşamaya ayırarak, bu da nanometre ölçekli intermetalliclerin (örneğin L12 sipariş edilen aşamalar) ısıtılması için öğrenilir.Demokratsal işlemeye dayanabilen gruplar, Max Planck Institute for Iron Research için üretilen gruplar 800 °C'de güç korumayı öğreniyorlar.

Meydanlar ve Gelecek Yollar

Onların sözüne rağmen, birkaç engel, HEAs standart ısı kalkanı malzemeleri haline gelmeden önce aşılmalıdır.

Üretim Maliyeti ve Scalability

Birçok HEAs, Co, Hf, Ta, W ve nadir topraklar gibi pahalı elementler içeriyor. Bu hammaddelerin maliyeti, nikel, demir ve alüminyumun mevcut alaşımlarda kullanılan yüksek hacimli yemleme ve özel bir eritme teknikleri (örneğin, vakumlu ortamdaki erime, indüksiyonu) kirlenmeden kaçınmak için on ila yüz kat daha ucuz bir şekilde çalışır.

Uzun Süreli Davranışlar Aşırı Koşullar altında

Heat kalkanları ciddi termal geçiciler, yüksek ısıtma oranları ve oxidative ortamlar yaşarlar. Bu tür koşullar altında uzun vadeli kararlılık - özellikle de termal yorgunluk, döngüsel oxidasyon ve faz dekompozisyon - henüz tamamen karakterize değildir. Erken çalışmalar, CoCrNiAl0.3 gibi, minimum bozulma ile oda sıcaklığına 200 termal döngüye dayanabilir, ancak sistematik veriler eksik değildir.

Katılmak ve entegrasyon

HEA ısı kalkan panellerini diğer malzemelerden yapılmış daha büyük yapılara entegre etmek (örneğin, titanyum veya alüminyum fuselage) güvenilir bir katılımcı tekniği gerektirir. HEAs Kaynak, yeraltı suyu işlemleri için gerçek dünya aracı entegrasyonu için eğilim gösterir.

Çevre Tahminleri

T.C. gibi elementlerin üretimi ve kobalt'in nispeten yüksek çevresel ayak izi vardır, hem madencilikte hem de işlemede. Yaşam döngüsü analizleri, HEA ısı koruyucularının genel etkisini karşılaştırmak için gereklidir. Geleneksel kontraable ablators. Future tasarım çabaları, recyclability ve azaltılabilir kullanım gibi sürdürülebilirlik kriterlerini dahil etmek zorunda kalabilir.

Ahead Ahead

Yüksek performanslı alaşımların ısı kalkan uygulamaları için gelişimi, malzeme bilimi, termodinamik, mekanik mühendislik ve havacılık tasarımı ile birleştiren canlı, çok disiplinli bir alandır. Önümüzdeki on yıl içinde, HEAs'ın deneysel hipersonik araçlarda test edilmesini bekleyebiliriz.Demokratsız bir şekilde, yüksek çözünürlükte bulunan uzay ve yüksek çözünürlükte olan yüksek çözünürlükte olan yüksek çözünürlükte olan yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan bir alan için de yüksek çözünürlükte kalır.