Legeringen met hoge entropie, die zijn gemaakt van bijna gelijke delen van verschillende primaire metalen, zou een groot potentieel kunnen bevatten voor het maken van materialen met superieure mechanische eigenschappen.

Maar met een praktisch onbeperkt aantal mogelijke combinaties, een uitdaging voor metaalbewerkers is om uit te zoeken waar ze hun onderzoeksinspanningen in een enorme, onontgonnen wereld van metaalmengsels.

Een team van onderzoekers van het Georgia Institute of Technology heeft een nieuw proces ontwikkeld dat dergelijke inspanningen zou kunnen begeleiden. Hun aanpak omvat het bouwen van een chemische kaart met atomaire resolutie om nieuwe inzichten te krijgen in individuele legeringen met hoge entropie en om hun eigenschappen te helpen karakteriseren.

In een studie gepubliceerd op 9 oktober in het tijdschrift Natuur , de onderzoekers beschreven het gebruik van energie-dispersieve röntgenspectroscopie om kaarten te maken van individuele metalen in twee legeringen met hoge entropie. Deze spectroscopietechniek, gebruikt in combinatie met transmissie-elektronenmicroscopie, detecteert röntgenstralen uitgezonden door een monster tijdens bombardement door een elektronenstraal om de elementaire samenstelling van een geanalyseerd monster te karakteriseren. De kaarten laten zien hoe individuele atomen zich rangschikken binnen de legering, waardoor onderzoekers patronen kunnen zoeken die hen kunnen helpen legeringen te ontwerpen die de nadruk leggen op individuele eigenschappen.

Bijvoorbeeld, de kaarten kunnen onderzoekers aanwijzingen geven om te begrijpen waarom het vervangen van het ene metaal door het andere een legering sterker of zwakker kan maken, of waarom het ene metaal beter presteert dan het andere in extreem koude omgevingen.

"De meeste legeringen die in technische toepassingen worden gebruikt, hebben slechts één primair metaal, zoals ijzer in staal of nikkel in op nikkel gebaseerde superlegeringen, met relatief kleine hoeveelheden andere metalen, " zei Ting Zhu, een professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering aan Georgia Tech. "Deze nieuwe legeringen met relatief hoge concentraties van vijf of meer metalen openen de mogelijkheid van onconventionele legeringen die ongekende eigenschappen kunnen hebben. Maar dit is een nieuwe compositieruimte die nog niet is onderzocht, en we hebben nog steeds een zeer beperkt begrip van deze klasse van materialen."

De naam "hoge entropie" verwijst naar het gebrek aan uniformiteit in het mengsel van metalen en naar het aantal verschillende en enigszins willekeurige manieren waarop de atomen van de metalen kunnen worden gerangschikt als ze worden gecombineerd.

De nieuwe kaarten kunnen onderzoekers helpen bepalen of er onconventionele atomaire structuren zijn die dergelijke legeringen aannemen die kunnen worden gebruikt voor technische toepassingen, en hoeveel controle onderzoekers zouden kunnen hebben over de mengsels om ze te "afstemmen" op specifieke eigenschappen, zei Zhu.

Om de nieuwe beeldvormingsbenadering te testen, het onderzoeksteam vergeleek twee legeringen met hoge entropie die vijf metalen bevatten. Een daarvan was een mengsel van chroom, ijzer, kobalt, nikkel, en mangaan, een combinatie die gewoonlijk een "Cantor"-legering wordt genoemd. De andere was vergelijkbaar, maar verving het mangaan door palladium. Die ene vervanging resulteerde in een heel ander gedrag in hoe de atomen zich in het mengsel rangschikten.

"In de Cantor-legering, de verdeling van alle vijf elementen is consistent willekeurig, "Zei Zhu. "Maar met de nieuwe legering die palladium bevat, de elementen vertonen significante aggregaties vanwege de veel verschillende atoomgrootte van palladiumatomen en hun verschil in elektronegativiteit in vergelijking met de andere elementen."

In de nieuwe legering met palladium, de mapping toonde aan dat palladium de neiging had om grote clusters te vormen, terwijl kobalt zich leek te verzamelen op plaatsen waar ijzer in lage concentraties was.

Die aggregaties, met hun afmetingen en afstanden in het bereik van enkele nanometers, bieden een sterke vervormingsweerstand en kunnen de verschillen in mechanische eigenschappen van de ene legering met hoge entropie tot de andere verklaren. Bij rekproeven, de legering met palladium vertoonde een hogere vloeigrens terwijl de rekverharding en treksterkte vergelijkbaar was met de Cantor-legering.

"De modulatie op atomaire schaal van elementverdeling produceert de fluctuatie van roosterweerstand, die dislocatiegedrag sterk afstemt, " zei Qian Yu, een co-auteur van het artikel en een professor aan de Zhejiang University. "Een dergelijke modulatie vindt plaats op een schaal die fijner is dan precipitatieharding en groter is dan die van traditionele versterking van vaste oplossingen. En het geeft inzicht in het intrinsieke karakter van legeringen met hoge entropie."

De bevindingen kunnen onderzoekers in staat stellen om in de toekomst legeringen op maat te ontwerpen, gebruik maken van de ene of de andere eigenschap.

Het team omvatte ook onderzoekers van de Universiteit van Tennessee, Knoxville; Tsinghua universiteit; en de Chinese Academie van Wetenschappen.