آلیاژهای آلومینیوم با آنتروپی بالا

در دهه‌های اخیر، علم متالورژی شاهد ظهور یک کلاس انقلابی از مواد به نام آلیاژهای با آنتروپی بالا (High-Entropy Alloys – HEAs) بوده است. این آلیاژها با به چالش کشیدن اصول طراحی سنتی که بر یک عنصر پایه و چندین عنصر افزودنی جزئی استوار است، چشم‌انداز جدیدی را در مهندسی مواد گشوده‌اند. HEAs از پنج یا چند عنصر اصلی با نسبت‌های تقریباً مساوی تشکیل شده‌اند. این ترکیب چندعنصری، آنتروپی اختلاط سیستم را به شدت افزایش می‌دهد و برخلاف انتظار که باید منجر به تشکیل ترکیبات بین‌فلزی پیچیده و شکننده شود، باعث پایدار شدن فازهای محلول جامد ساده مانند ساختار مکعبی با وجوه مرکزپر (FCC) یا مکعبی مرکزپر (BCC) می‌شود. این “اثر آنتروپی بالا”، سنگ بنای خواص منحصربه‌فرد و برتر این آلیاژهاست.

نقش کلیدی آلومینیوم در آلیاژهای با آنتروپی بالا

آلومینیوم به عنوان یک عنصر سبک، مقاوم در برابر خوردگی و با رسانایی حرارتی بالا، نقشی حیاتی در توسعه نسل جدیدی از HEAs، به ویژه آلیاژهای آلومینیوم سبک (Lightweight HEAs)، ایفا می‌کند. افزودن آلومینیوم نه تنها چگالی کلی آلیاژ را کاهش می‌دهد، بلکه به طور قابل توجهی بر ریزساختار و خواص مکانیکی آن تأثیر می‌گذارد. مطالعات نشان داده‌اند که افزایش غلظت آلومینیوم در سیستم‌هایی مانند AlxCoCrFeNi، می‌تواند ساختار کریستالی را از یک فاز FCC نرم و انعطاف‌پذیر به یک فاز BCC مستحکم‌تر یا حتی یک ساختار دو فازی (FCC+BCC) تبدیل کند. این قابلیت تنظیم ریزساختار، امکان مهندسی دقیق خواص آلیاژ برای کاربردهای خاص را فراهم می‌آورد.

خواص مکانیکی و فیزیکی برجسته

آلیاژهای با آنتروپی بالا، به ویژه آن‌هایی که حاوی آلومینیوم هستند، ترکیبی از خواص را به نمایش می‌گذارند که دستیابی به آن‌ها در آلیاژهای سنتی دشوار است:

• استحکام و سختی بالا: به دلیل اعوجاج شدید شبکه کریستالی ناشی از وجود اتم‌های با اندازه‌های مختلف و اثرات تقویت‌کنندگی محلول جامد، این آلیاژها به سختی و استحکام بسیار بالایی دست می‌یابند. برای مثال، سختی آلیاژ Al0.9CoCrFeNi به Hv 527 می‌رسد که به دلیل تشکیل یک ریزساختار اسپینودال نانومتری است.  
• مقاومت به سایش و خوردگی عالی: تشکیل یک لایه اکسیدی محافظ و پایدار (Passive Film) بر روی سطح، که ناشی از حضور همزمان چندین عنصر مانند آلومینیوم و کروم است، مقاومت به خوردگی فوق‌العاده‌ای را در محیط‌های خورنده مانند آب نمک و اسیدها ایجاد می‌کند. همچنین، سختی بالا به مقاومت به سایش عالی منجر می‌شود.  
• پایداری در دمای بالا: اثر نفوذ آهسته (Sluggish Diffusion) در HEAs، که به دلیل ساختار پیچیده شبکه است، باعث می‌شود این آلیاژها خواص مکانیکی خود را در دماهای بالا حفظ کنند. این ویژگی آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای کاربردهای دما-بالا تبدیل می‌کند.
• نسبت استحکام به وزن برتر: آلیاژهای HEA سبک حاوی آلومینیوم و تیتانیوم، سختی ویژه (Specific Hardness) بسیار بالایی از خود نشان می‌دهند که از سوپرآلیاژهای تجاری مانند اینکونل 718 و آلیاژهای تیتانیوم نیز فراتر می‌رود.  

روش‌های ساخت و کاربردهای آینده

HEAs را می‌توان از طریق روش‌های مختلفی از جمله ذوب قوسی در خلا، آلیاژسازی مکانیکی (آسیاب‌کاری پودرها) و روش‌های لایه‌نشانی مانند اسپاترینگ (برای تولید پوشش) تولید کرد. هر یک از این روش‌ها بر ریزساختار و خواص نهایی آلیاژ تأثیرگذار است. با توجه به مجموعه خواص بی‌نظیر، HEAs کاربردهای بالقوه گسترده‌ای در صنایع پیشرفته دارند:

• هوافضا و خودروسازی: به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا و پایداری حرارتی، برای ساخت قطعات موتور، توربین‌ها و اجزای سازه‌ای سبک استفاده می‌شوند.  
• صنایع هسته‌ای: مقاومت عالی در برابر تشعشع و خوردگی، آن‌ها را به کاندیدای مناسبی برای روکش سوخت‌های هسته‌ای و اجزای راکتورها تبدیل کرده است.
• پوشش‌های محافظ: به عنوان پوشش‌های مقاوم به سایش، خوردگی و حرارت بر روی قطعات مهندسی به کار می‌روند.
• کاربردهای زیست‌پزشکی و مغناطیسی: برخی از این آلیاژها زیست‌سازگاری و خواص مغناطیسی ویژه‌ای از خود نشان می‌دهند که راه را برای کاربردهای جدید در ایمپلنت‌ها و دستگاه‌های الکترونیکی هموار می‌کند.

آلیاژهای با آنتروپی بالا تنها یک کنجکاوی علمی نیستند، بلکه یک مسیر کاملاً جدید برای طراحی موادی با عملکرد بی‌سابقه به شمار می‌روند که می‌توانند محدودیت‌های مواد مهندسی امروزی را پشت سر بگذارند.

به اطلاعات تخصصی بیشتری نیاز دارید؟
با ما تماس بگیرید تا درباره‌ی راهکارهای خلاقانه در صنعت آلومینیوم اطلاعات بیشتری کسب کنید.