توضیح آلیاژهای با آنتروپی بالا: راهنمای طراحی منطق، خواص و منبع
پنج فلز در سهم تقریبا مساوی، یک ساختار بلوری. این نتیجه متضاد همان چیزی است که یک آلیاژ با آنتروپی بالا (HEA) را تعریف می‌کند: وقتی پنج یا چند عنصر اصلی با درصد اتمی تقریباً برابر مخلوط می‌شوند، مذاب می‌تواند به جای درهم‌تنیدگی ترکیبات بین‌فلزی شکننده که منطق آلیاژ معمولی پیش‌بینی می‌کند، به یک محلول جامد منفرد و منظم تبدیل شود. طرز فکر طراحی از «یک فلز پایه به اضافه اضافات کوچک» به «چند عنصر مشترک در صحنه» تغییر می‌کند و این تغییر بر نحوه برنامه‌ریزی محققان و نحوه تعیین مواد خام توسط خریداران تأثیر می‌گذارد. ترکیب کلاسیک CoCrFeMnNi - معروف به آلیاژ Cantor - به کبالت، کروم، آهن، منگنز و نیکل به شکل خلوص بالا و هیچ چیز دیگری نیاز دارد. این مقاله توضیح می‌دهد که آلیاژهای آنتروپی چگونه کار می‌کنند، جایی که قبلاً جایگاه خود را به دست آورده‌اند، و آنچه را که باید قبل از سفارش دادن عناصر برای مذاب آزمایشی تأیید شود، توضیح می‌دهد.
چه چیزی به عنوان یک آلیاژ با آنتروپی بالا به حساب می آید؟
تعریف کار ساده است: آلیاژی با پنج یا چند عنصر اصلی که هر کدام بین 5 تا 35 درصد سهم دارند، بدون هیچ فلز پایه غالب. سیستم هایی با دو تا چهار عنصر اصلی معمولاً آلیاژهای آنتروپی متوسط نامیده می شوند. آلیاژهای معمولی با فلز پایه شفاف و اضافات جزئی در انتهای همان مقیاس قرار دارند.
علیرغم نام، آنتروپی بالا هیچ ارتباطی با گرما ندارد. این به آنتروپی پیکربندی اشاره دارد - تعداد روش هایی که اتم ها می توانند خود را روی یک شبکه کریستالی مشترک قرار دهند - محاسبه شده به عنوان ΔS = R ln n، که در آن R ثابت گاز (8.314 J/(mol·K)) و n تعداد عناصر اصلی در نسبت های هممولار است. آلیاژ دو عنصری 50/50 به 5.76 J/(mol·K) می رسد. یک آلیاژ هماتمی پنج عنصری به 13.38 J/(mol·K) می رسد، که آستانه رایج 1.5R (حدود 12.47 J/(mol·K)) را که آنتروپی متوسط را از ترکیبات آنتروپی بالا جدا می کند، پاک می کند.
نمودار نشان می دهد که چرا وقتی محققان شروع به اضافه کردن عناصر اصلی کردند، علاقه شتاب گرفت: آنتروپی با n به شدت بالا می رود. اما آنتروپی به تنهایی یک فاز را تضمین نمی کند. جاذبه قوی بین جفت‌های عناصر خاص همچنان می‌تواند مواد بین‌فلزی شکننده را از مذاب بیرون بکشد، بنابراین پیش‌بینی فاز نیز اختلاط آنتالپی و عدم تطابق اندازه اتمی را وزن می‌کند. اکثر HEA های فعال تقریباً هم اتمی هستند نه دقیقاً هم اتمی، زیرا تنظیمات کوچک باعث پایداری فاز یا صرفه جویی در هزینه می شود.
چهار اثر اصلی، به عمل ترجمه شده است
چهار اثر در سراسر ادبیات HEA تکرار می شود. هر یک به یک نتیجه عملی که در سرویس یا ماشین‌فروشی اهمیت دارد، نشان می‌دهد:
| اثر اصلی | آنچه در مقیاس خرد اتفاق می افتد | نتیجه عملی |
|---|---|---|
| اثر آنتروپی بالا | آنتروپی اختلاط بالا به نفع محلول های جامد نامنظم نسبت به ترکیبات بین فلزی شکننده است | ساختارهای فازی ساده تر و عملیات حرارتی قابل پیش بینی تر |
| اعوجاج شدید شبکه | اندازه های اتمی مختلف، شبکه کریستالی مشترک را منحرف می کند | تقویت محلول جامد قوی و سختی بالا |
| انتشار کند | اتم ها مکان های شبکه را به آرامی در ساختار شلوغ مبادله می کنند | مقاومت در برابر رشد دانه و درشت شدن در دما |
| جلوه کوکتل | ویژگی ها از میانگین ساده عناصر تشکیل دهنده فراتر می رود | فضایی برای ترکیب غیرمنتظره استحکام – شکل پذیری یا ویژگی |
در عمل، دو اثر اول استحکام دمای اتاق را افزایش می‌دهند، در حالی که انتشار ضعیف و پایداری حرارتی برای هر کسی که قطعاتی را برای خدمات طولانی در دمای بالا طراحی می‌کند، مهم‌تر است. هیچ یک از چهار عمل به تنهایی انجام نمی شود. تعادل آنها از سیستمی به سیستم دیگر متفاوت است، به همین دلیل است که دو HEA با ترکیبات مشابه می توانند بسیار متفاوت رفتار کنند.
ترکیب خانواده ها و کنترل فاز
بیشتر آلیاژهای آنتروپی منتشر شده به دو خانواده ساختاری تقسیم می شوند. سیستم‌های تشکیل‌دهنده FCC که بر روی فلزات واسطه‌ای معمولی ساخته شده‌اند، شکل‌پذیری فوق‌العاده‌ای را ارائه می‌کنند - و یک ویژگی غیرمعمول: با کاهش دما، تعدادی از آنها سخت‌تر می‌شوند. ترکیب 20 درصدی CoCrFeMnNi که در زیر نشان داده شده است، مثال متعارفی است. سیستم‌های نسوز تشکیل‌دهنده BCC که بر روی مولیبدن، نیوبیم، تانتالم، وانادیم و تنگستن ساخته شده‌اند، در دماهایی که سوپرآلیاژهای معمولی تسلیم می‌شوند، استحکام خود را حفظ می‌کنند.
یک ابزار غربالگری که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، غلظت الکترون ظرفیت (VEC) است: ترکیبات با VEC 8 یا بالاتر تمایل به تشکیل فازهای FCC دارند، در حالی که VEC کمتر از حدود 6.87 به نفع BCC است. عدم تطابق اندازه اتمی و آنتالپی اختلاط جفتی پیش بینی را اصلاح می کند. این قوانین جستجو را محدود می‌کنند، اما محاسبات CALPHAD و ذوب آزمایشی هنوز هم آخرین تماس را ایجاد می‌کنند – به همین دلیل است که برنامه‌های جدی از ورودی‌های با خلوص بالا به طور جداگانه تأیید شده شروع می‌شوند تا ضایعات ترکیبی.
آلیاژ Cantor سمت عرضه مشکل را نشان می‌دهد: پنج عنصر، که هر کدام با خلوص 99.9 درصد یا بهتر مشخص شده‌اند، هر کدام رفتار ذوب و خطرات آلودگی خاص خود را دارند. نیکل با خلوص بالا معمولاً یکی از ورودی‌های آسان‌تر برای ایمن شدن است:
شمش تانتالیوم از یک تامین کننده یکپارچه فلزات با خلوص بالا Ningbo Chuangrun شمش‌های تانتالیوم 99.99% را با اندازه‌های قابل تنظیم، در کنار خدمات تصفیه، ذوب و ریخته‌گری عرضه می‌کند. مربوط به جایی که هزینه تانتالیوم و رفتار ذوب انتخاب های ترکیب را شکل می دهد. مشاهده محصول → - شرکت - 20 درصد
- Cr - 20 در٪
- آهن - 20 درصد
- منگنز - 20 درصد
- نیکل - 20 درصد
انتخاب عنصر نیز جایی است که هزینه آن تمام می شود. منگنز ارزان است اما تحت ذوب خلاء فرار است. کبالت و تانتالیوم چیزی جز این هستند. بنابراین، بسیاری از گروه‌های تحقیقاتی با مشتقات غنی از آهن و غیر هماتمی کار می‌کنند که خواص مفید را حفظ می‌کنند و در عین حال انتهای گران‌قیمت ترکیب را اصلاح می‌کنند. اگر تمایز بین گریدهای عنصر پایه و محصول آلیاژی برای طرح شما مهم است، مقاله ما در مورد نیکل خالص در مقابل آلیاژهای نیکل آن را به تفصیل پوشش می دهد.
جایی که آلیاژهای با آنتروپی بالا جایگاه خود را به دست می آورند
نتیجه گیری صادقانه در ابتدا می آید: آلیاژهای آنتروپی جایگزینی عمده برای سوپرآلیاژها، فولادهای ضد زنگ یا فولادهای ابزار نیستند. آنها در جایی برنده می‌شوند که یک ملک خاص حق بیمه را توجیه می‌کند، و سه جایگاه در حال حاضر برجسته هستند.
سرویس برودتی
CoCrFeMnNi با سردتر شدن سخت‌تر می‌شود: مقادیر چقرمگی شکست منتشر شده از 200 MPa·m½ در 77 K فراتر می‌رود، که بالاتر از نتایج دمای اتاق خود آلیاژ است. استحکام، شکل‌پذیری و تحمل آسیب که با هم در دمای برودتی بهبود می‌یابد نادر است و خانواده FCC را در لیست‌های کاندید برای تجهیزات LNG و هیدروژن مایع قرار می‌دهد.
استحکام در دمای بالا
HEA های نسوز مانند MoNbTaVW قدرت تسلیم بالای 400 مگاپاسکال را در 1600 درجه سانتیگراد در آزمایشات آزمایشگاهی حفظ می کنند، در حالی که سوپرآلیاژهای معمولی نیکل به شدت فراتر از حدود 1100 درجه سانتیگراد نرم می شوند. این فضای سر نقطه‌ای برای اجزای توربین و کوره است - اگرچه چگالی، رفتار اکسیداسیون و شکل‌پذیری متوسط دمای اتاق سیستم‌های BCC همچنان مشکلات مهندسی باز هستند.
شمش نیکل با خلوص بالا برای ذوب آلیاژ شمش های نیکل الکترولیتی یا فرآیند کربونیل با خلوص 99.99-99.999 درصد، تا 400 میلی متر و 2 تن موجود است. یک عنصر پایه مناسب و به آسانی برای ذوب‌های آلیاژ کانتور و دیگر آلیاژهای با آنتروپی بالا. مشاهده محصول → مقایسه شماتیک زیر شکافی را که انگیزه این تحقیق است را نشان می دهد:
خط طلا نشان دهنده یک آلیاژ نسوز با آنتروپی بالا از نوع MoNbTaVW است. خط چین سیاه نشان دهنده یک سوپرآلیاژ معمولی پایه نیکل است. RT به معنای دمای اتاق است. هر دو منحنی به جای داده های اندازه گیری شده از یک آلیاژ خاص، روندهای شماتیک برای تصویر هستند، اما واگرایی بالای 1000 درجه سانتیگراد الگوی منتشر شده را منعکس می کند.
ابتدا سطوح
بالغ ترین مسیر تجاری از HEA ها به عنوان پوشش به جای قطعات حجیم استفاده می کند. پوشش‌های HEA با پوشش لیزری و لایه‌های نازک HEA پراکنده شده با استفاده از میکرون مواد به جای کیلوگرم، سختی بالا به علاوه مقاومت در برابر سایش و خوردگی را ارائه می‌کنند - که مانع هزینه عناصری مانند تانتالیوم و وانادیم را کنار می‌زند.
منبع یابی عناصر: آنچه خریداران باید تأیید کنند
یک مذاب پنج جزئی ریسک منبع یابی را پنج برابر می کند و سؤالاتی که تصمیم می گیرند آیا مذاب آزمایشی داده های منتشر شده را بازتولید می کند یا نه، عمدتاً غیر جذاب هستند:
- مبنای خلوص را به صورت مکتوب مشخص کنید. برچسب "99.9٪" می تواند به معنای 99.9٪ کل ناخالصی های فلزی با اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن کنترل نشده باشد - و محتوای بینابینی تشکیل فاز را در سیستم های حاوی تیتانیوم و نیوبیم تغییر می دهد.
- فرم محصول را با مسیر ذوب مطابقت دهید. شمش مناسب قوس و ذوب القایی. ذرات و پودرها مناسب مسیرهای متالورژی پودر و مواد افزودنی هستند. کریستال ها و اسفنج ها در خدمت جریان های کاری ذوب مجدد و پالایش هستند.
- نقاط ذوب را در برابر تجهیزات خود بررسی کنید. تانتالیم در دمای 3017 درجه سانتیگراد، تنگستن در دمای 3422 درجه سانتیگراد، مولیبدن در دمای 2623 درجه سانتیگراد و نیوبیم در دمای 2477 درجه سانتیگراد ذوب می‌شوند - ماده‌ای که بالاترین ذوب را دارد تعیین می‌کند که برنامه واقعاً به چه نوع کوره‌ای نیاز دارد.
- برای ضررهای فرار برنامه ریزی کنید. منگنز و تا حدی کروم در خلاء تبخیر می شوند، بنابراین بارها اغلب بیش از حد آلیاژ می شوند تا روی شیمی نهایی مورد نظر فرود آیند.
- تقاضای گواهینامه به ازای هر لات با تجزیه و تحلیل واقعی، نه درجه اسمی. آلودگی متقابل از بوته های مشترک و ذوب های قبلی یک حالت شکست بی صدا رایج در کار چند عنصری است.
اینجاست که تامین کنندگان متخصص نقش خود را به دست می آورند. Ningbo Chuangrun New Materials (CRNMC)، تولیدکننده چینی فلزات با خلوص فوق العاده بالا که در سال 2012 تأسیس شد، دقیقاً حول این زنجیره - تصفیه، ذوب، ریخته‌گری و فرآوری - در پنج پایگاه تولید، با آزمایش خلوص ارائه شده به عنوان خدمات مشتری و سیستم‌های کیفیت ISO 9001 و IATF در محل ساخته شده است. برای برنامه‌ای که نیاز به نیوبیوم، تانتالیم، مولیبدن، کبالت یا نیکل در فرم با خلوص بالا دارد، یک تامین‌کننده یکپارچه از این نوع مسیر از طراحی ترکیب تا ذوب اولیه را کوتاه می‌کند.
شمش نیوبیم با خلوص 99.99 درصد شمش نیوبیم با خلوص بالا با سطوح ناخالصی کم و وزن تک شمش بزرگ. یک عنصر نسوز کلیدی برای آلیاژهای نوع MoNbTaVW، که در آن حفظ استحکام در 1600 درجه سانتیگراد تمرکز تحقیقاتی است. مشاهده محصول → سوالات متداول
آیا آلیاژهای با آنتروپی بالا امروزه به صورت تجاری در دسترس هستند؟
HEA های ساختاری انبوه عمدتاً یک بازار تحقیقاتی و تخصصی باقی می مانند. پوشش‌ها، لایه‌های سخت و فیلم‌های پراکنده به کاربردهای معمول صنعتی نزدیک‌ترین هستند و تعداد کمی از ابزارآلات و کاربردهای خوردگی تجاری شده‌اند. در بیشتر موارد، به جای خرید سهام استاندارد نوار HEA، عناصر را تهیه کرده و مذاب آزمایشی را اجرا می کنید.
چه چیزی یک آلیاژ با آنتروپی بالا را از یک آلیاژ معمولی جدا می کند؟
یک آلیاژ معمولی دارای یک فلز پایه غالب با اضافات جزئی است. یک HEA دارای پنج یا چند عنصر اصلی در سهم‌های اساسی است که شبکه‌ای مملو از اندازه‌های اتم‌های مختلف تولید می‌کند - منبع اثرات تقویت، انتشار و پایداری که در بالا توضیح داده شد.
آیا آلیاژهای آنتروپی همیشه بهتر از آلیاژهای معمولی عمل می کنند؟
خیر. برخی از سیستم‌های HEA نسبت به آلیاژهایی که با آنها رقابت می‌کنند، قیمت بیشتری دارند، وزن بیشتری دارند یا سریع‌تر اکسید می‌شوند. عملکرد سیستم خاص است، و موارد برنده مواردی هستند که در آن یک ویژگی تعیین کننده - چقرمگی برودتی، استحکام در دمای بالا، سختی پوشش - بیشتر از حق بیمه باشد.
هنگام سفارش عناصر برای مذاب HEA چه چیزی را باید مشخص کنم؟
حداقل: خلوص و اساس آن (فلزات در مقابل مواد بینابینی)، محتوای گاز، شکل و اندازه محصول، گواهی‌های تجزیه و تحلیل هر قطعه، و شیوه‌های کنترل آلودگی تامین‌کننده. برای عناصر فرار، یک ترکیب جبران کننده را نیز مورد بحث قرار دهید.
نکته اولیه: آلیاژهای آنتروپی ذهنیت تک فلز پایه را با طرز فکر ترکیب-فضا جایگزین می کنند و چهار اثر اصلی آنها بیشتر چیزهایی را که آنها را جالب می کند توضیح می دهد. برای خریداران، کار تعیین کننده در بالادست اتفاق می افتد - خلوص عنصر، فرم و مستندات تعیین می کنند که آیا یک ترکیب امیدوارکننده مانند داده های منتشر شده رفتار می کند یا خیر. اگر در حال آماده سازی یک مذاب آزمایشی هستید و می خواهید یک مظنه یا گواهی خلوص برای عناصر خاص داشته باشید، ترکیب خود را از طریق CRNMC به CRNMC ارسال کنید. صفحه تماس .
ما که هستیم
Ningbo Chuangrun New Materials Co., Ltd. (CRNMC) در ژوئن 2012 تاسیس شد و دارای پنج پایگاه تولید در سراسر چین است. ما به تصفیه، ذوب، ریخته‌گری و پردازش تیتانیوم، نیکل، مس، نیوبیم، کبالت و غیره با خلوص بالا اختصاص داده شده‌ایم و طیف کاملی از فلزات با درجه الکترونیکی مانند کریستال‌های الکترولیتی با خلوص بالا، شمش‌ها، شمش‌های آهنگری، پودرها و صفحات را ارائه می‌کنیم.
تیم ما متشکل از کارشناسان صنعت و کارکنان کارآفرینی متشکل از 40 متخصص با پیشینه متالورژی است که همه آنها به صنعتی سازی مواد پیشرفته اختصاص داده شده اند.
در حال حاضر، این شرکت طرح زنجیره صنعت مواد فوق‌العاده خالص خود را برای اطمینان از کیفیت، تحویل به موقع و بهبود خدمات مشتری تکمیل کرده است.
همه کارکنان متعهد و با انگیزه هستند و مشتاقانه منتظر پاسخگویی به نیازهای مشتری هستند.
گواهینامه ها
مطبوعات و رسانه ها
