Plusieurs aspects importants de l'alliage à haute entropie que vous devez connaître

Introduction

Les alliages métalliques à haute entropie (AHE) constituent une nouvelle classe de matériaux qui sont apparus comme des alternatives prometteuses aux alliages traditionnels. Voici quelques faits importants à prendre en compte concernant les HEA. Nous espérons que vous aurez une meilleure compréhension de ces matériaux du futur.

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Figure 1. Exemples d'alliages à haute entropie

Qu'est-ce qu'un alliage à haute entropie ?

--Définition

Unalliage à haute entropie, ou HEA, est un matériau avancé comprenant 5 éléments métalliques ou plus, des structures désordonnées et une entropie élevée. Les HEA sont très différents des alliages traditionnels. Ils ne sont pas basés sur un composant majoritaire mais sont composés de plusieurs éléments principaux. En effet, les HEA contiennent au moins 5 éléments, et la proportion de chaque élément est égale ou approximativement égale. Ces alliages sont également caractérisés par une entropie élevée, ce qui leur confère des propriétés et des applications uniques.

--Propriétés

Les HEA présentent une combinaison supérieure de propriétés que l'on ne retrouve pas dans les alliages traditionnels. Ces caractéristiques comprennent une résistance, une ductilité et une stabilité thermique élevées. Ces alliages présentent également une excellente résistance à l'usure, à la corrosion et aux températures élevées, ce qui en fait des candidats idéaux pour une utilisation dans des environnements difficiles.

Par exemple, le VNbMoTaW possède une limite d'élasticité élevée de plus de 600 MPa (87 ksi), même à une température de 1 400 °C. Le CoCrFeMnNi possède des propriétés mécaniques exceptionnelles à basse température et une grande résistance à la rupture. L'Al0,5CoCrCuFeNi présente une durée de vie en fatigue et une limite d'endurance élevées par rapport aux alliages conventionnels d'acier et de titane.

--Production

La production des HEA nécessite des techniques spécialisées, telles que la métallurgie des poudres, l'électrodéposition et l'alliage mécanique, en raison de la complexité de leur composition et de leur microstructure. La majorité d'entre eux sont fabriqués par fusion à l'arc et par induction. La pulvérisation, l'épitaxie par faisceaux moléculaires (MBE) ou la fusion mécanique peuvent également être utilisées. Ces techniques permettent de créer des HEA avec des caractéristiques et des microstructures sur mesure, qui conviennent à des applications spécifiques.

Figure 2. Méthodes de production des HEA

--Application

Les HEA se sont révélés prometteurs dans diverses applications, notamment les applications thermoélectriques à haute température, les revêtements résistants à l'usure et les matériaux structurels. Ils ont également été étudiés pour des applications aérospatiales, automobiles et biomédicales. La combinaison unique de propriétés des HEA en fait des candidats idéaux pour une utilisation dans des environnements difficiles, où les alliages traditionnels risquent d'échouer.

Les HEA sont également utilisés dans l'industrie automobile pour fabriquer des pièces de moteur, des composants de transmission et d'autres équipements structurels. En outre, ces alliages sont des matériaux prometteurs pour les applications nucléaires grâce à leur résistance aux radiations et à la corrosion.

Quatre principes fondamentaux des alliages à haute entropie

Poursuivons cet article en découvrant les principes fondateurs des AHE.

1) La stabilisation entropique des solutions solides

Le premier effet fondamental est la stabilisation entropique. Il s'agit du phénomène par lequel l'entropie configurationnelle élevée conduit à la stabilisation de la phase de la solution solide. Cela signifie que la solution solide est plus stable que la phase intermétallique en raison de l'énergie de Gibbs plus faible. [2]

2) La sévère distorsion de leurs réseaux

Deuxièmement, le réseau des HEA est considérablement déformé en raison des différences de taille entre les éléments d'alliage, ce qui a de multiples effets sur les propriétés physiques et mécaniques des HEA.

3) Cinétique de diffusion lente

Le HEA présente également une cinétique de diffusion lente. Cela s'explique principalement par le fait que les atomes se diffusent plus difficilement à travers des solutions solides contenant des concentrations élevées de nombreux éléments.

4. l'effet cocktail

Enfin, les compositions de HEA sont complexes car plusieurs éléments interagissent les uns avec les autres, ce qui entraîne des comportements inhabituels qui ne peuvent être prédits sur la base des propriétés des éléments individuels. Ce phénomène est appelé l'effet cocktail. Ces interactions entre éléments peuvent donner lieu à des propriétés particulières mais difficiles à prévoir.

Conclusion

En un mot, les alliages à haute entropie offrent une combinaison exceptionnelle de propriétés, de méthodes de production spécialisées et d'aptitude à diverses applications. Ils sont également bien connus pour (1) la stabilisation entropique (2) la déformation sévère de leurs réseaux, (3) la cinétique de diffusion lente et (4) l'effet cocktail. Au fur et à mesure que les recherches sur les HEA se poursuivent, il est probable que leur potentiel soit pleinement exploité, ce qui permettra de développer des matériaux encore plus avancés, utilisables dans diverses applications. Stanford Advanced Materials (SAM) est un fournisseur fiable d'alliages à haute entropie. Envoyez-nous une demande si vous êtes intéressé.

Référence :

[1] Saro San, Yang Tong, Hongbin Bei, Boopathy Kombaiah, Yanwen Zhang, Wai-Yim Ching, First-principles calculation of lattice distortions in four single phase high entropy alloys with experimental validation, Materials & Design, Volume 209, 2021, 110071, ISSN 0264-1275, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110071.

[2] Pickering, E., & Jones, N. (2016). High-entropy alloys : Une évaluation critique de leurs principes fondateurs et de leurs perspectives d'avenir. International Materials Review. https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1180020