High Entropy Alloys (HEA)

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Übersicht über typische Bereiche der Streckgrenze und Bruchzähigkeit ausgewählter Materialklassen

Leichter, fester, flexibler oder steifer, verschleiß- und wärmebeständiger sind nur ausgewählte Eigenschaften, die heutzutage bei Werkstoffen gefordert werden. Um den immer größeren Anforderungen gerecht zu werden, ist eine gezielte Entwicklung neuer Werkstoffe notwendig.

Einen gänzlich neuen Ansatz in der Materialentwicklung bilden die High-Entropy Alloys (HEAs). Bei ihnen handelt es sich um Mehrkomponentenlegierungen, die aus einer meist äquimolaren Mischung von verschiedenen Elementen bestehen, wie zum Beispiel CoCrFeMnNi [1, 2]. Damit unterscheiden sie sich deutlich von konventionellen Legierungen, die in der Regel aus einem Hauptelement und verschiedenen Legierungselementen bestehen. Aufgrund ihrer einfachen resultierenden Gefüge, die meistens aus einer oder mehreren Mischkristallphasen bestehen, haben die HEAs eine Vielzahl von interessanten Eigenschaften, wie zum Beispiel [1-3]:

  • hohe Festigkeit und Duktilität
  • Hochtemperaturverhalten
  • Tieftemperaturduktilität
  • Verschleißbeständigkeit

F&E-Kompetenzen#

EBSD-Mapping von CoCrFeMnNi farbkodiert gemäß inverser Polfigur
© Fraunhofer IFAM Dresden
EBSD-Mapping von CoCrFeMnNi farbkodiert gemäß inverser Polfigur
TEM-Aufnahme
© Fraunhofer IFAM Dresden
TEM-Aufnahme eines ausscheidungsgehärteten CoCrFeMnNiTi-HEAs. Es ist eine homogene Matrix mit Ti-haltigen Ausscheidungen sichtbar

Materialentwicklung

  • Legierungsdesign nach Anforderungen

 

Herstellungsprozess

  • Pulver: Verwendung von vorlegierten Pulvern oder mechanisches Legieren oder Mischen von Elementpulvern
  • Kompaktierung: verschiedene Verfahren möglich, wie z. B. Heißpressen, Spark-Plasma-Sintern, Selektives Elektronenstrahlschmelzen usw.
  • Nachbehandlung: Wärmebehandlung, etc.


Eigenschaftscharakterisierung

  • Akkreditiertes Labor für mechanische Prüfung, Thermoanalyse, Pulveranalyse
  • Reibungs- und Verschleißprüfung
  • Charakterisierung von Dichte und Gefüge
  • Charakterisierung weiterer Eigenschaften, wie der spezifische elektrische Widerstand

Kundennutzen#

REM-BSE-Aufnahmen von AlMo0,5CrFeNi (+ Y)
© Fraunhofer IFAM Dresden
REM-BSE-Aufnahmen von AlMo0,5CrFeNi (+ Y)

Die Automobil- und Luftfahrtindustrie, der Maschinenbau und das Baugewerbe haben eine Gemeinsamkeit: den dringenden Bedarf an innovativen Werkstoffen. Da sie nicht nur an dem Bestehen des Industriezweigs, sondern auch an seinem Fortschritt maßgeblich beteiligt sind, haben die Werkstoffe in nahezu jeder Branche eine Schlüsselrolle. Bis zu  aller neuen Erzeugnisse basieren direkt oder indirekt auf der Materialentwicklung [5].

HEAs sind eine geeignete Möglichkeit, ein komplett neues Legierungskonzept umzusetzen und geeignete Eigenschaften sowie Eigenschaftskombinationen zu erzielen. Potentielle Anwendungsmöglichkeiten HEAs laut Literatur [1-3] sind zum Beispiel:

  • Refraktäre HEAs oder ausscheidungsgehärtete HEAs für Hochtemperaturanwendungen, z. Bsp. Ofenteile oder Brennroste
  • Beschichtungen für biomedizinische Anwendungen
  • Bindephase zum Beispiel für Hartmetallen
  • HEAs als Bestrahlungsschutz gegen Ionenstrahlung
  • Verschleißbeständige HEAs als Schutzschichten
  • HEAs für kryogene Anwendungen für Lebensmittelindustrie oder Flüssiggastanks

Literatur

N. Eißmann, B. Klöden, T. Weißgärber, B. Kieback: „High-entropy alloy CoCrFeMnNi produced by powder metallurgy“, Powder Metallurgy, Jg. 60, Nr. 3, 2017, 184–197

 

References

[1] J.-W. Yeh et al., “Nanostructured High-Entropy Alloys with Multiple Principal Elements: Novel Alloy Design Concepts and Outcomes,” Advanced Engineering Materials, vol. 6, no. 5, pp. 299–303, 2004.

[2] J. W. Yeh, Y. L. Chen, S. J. Lin, and S. K. Chen, “High-Entropy Alloys – A New Era of Exploitation,” Materials Science Forum, vol. 560, pp. 1–9, 2007.

[3] M. C. Gao, J.-W. Yeh, and P. K. Liaw, High-entropy alloys: Fundamentals and applications. Cham: Springer International Publishing, 2016.

[4] B. Gludovatz et al., “A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications,” Science, vol. 345, no. 6201, pp. 1153–1158, 2014.

[5] Bundesministerium für Bildung und Forschung, “Vom Material zur Innovation: Rahmenprogramm zur Förderung der Materialforschung,” 2015. [Online] Available: https://www.werkstofftechnologien.de/programm/. Accessed on: Jun. 12 2019