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. 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 ) или «сплавы Кантора-Ву». 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.
Получение Большинство СЭС сегодня получают методами порошковой металлургии, спекая мелкодисперсные смеси исходных компонентов.
Свойства и применение 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. 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 Вследствие своей структуры все СЭС имеют достаточно низкую теплопроводность. Некоторые из них являются тугоплавкими — например, NbTiVZr или AlxNb40Ti40V20-x (x = 0; 5; 10; 15; 20 ат.%). Сплавы алюминия, ниобия, титана и ванадия отличаются также прочностью и экстремально высокой пластичностью.
Упругость и прочность 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. Недавно полученный сплав Nb45Ta25Ti15Hf15 продемонстрировал высокую прочность и сопротивление разрушению при тестировании в диапазоне температур от −196 °C до 1200 °C. Перспективным для космоса и авиации является также сплав Al15Nb40Ti40V5, демонстрирующий высокую пластичность в широком температурном диапазоне. Полученный в России сплав Nb85Mo5Ta5V5 обладает высокой пластичностью и сохраняет 60 % прочности при нагреве до 1000 °C.
Сверхнизкие температуры 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
Биологическая совместимость Многие СЭС весьма инертны и имеют при этом высокую биологическую совместимость, что делает их ценными для изготовления различного рода имплантатов. Одним из таких сплавов является, например, NbTiZr
Катализаторы на базе СЭС Ещё одна область применения химических свойств среднеэнтропийных сплавов — катализ химических реакций. Например, сплавы из четырёх элементов в приблизительно изотропных пропорциях FeCoNiW, нанесённые на углеродные каркасы, легированные азотом, оказались весьма эффективными электрокатализаторами для реакций выделения кислорода.
Рынок СЭС По регулярно обновляемым данным исследовательского центра Research Nester, мировой рынок среднеэнтропийных сплавов в 2024 году составил 1,05 млрд $, а к 2037 году вырастет до 2 млрд $ со среднегодовым темпом роста около 5,1 %.
Примечания
Категория:Сплавы