Hochentropie-Legierung
Englisch: high-entropy alloy
Metallische Legierung ohne dominierendes Element, mit mehreren Hauptelementen, einkristalliner Struktur und einphasigem Aufbau
Hochentropie-Legierung: Festigkeit ohne Leitelement
Eine Hochentropie-Legierung (HEA) ist eine metallische Zusammensetzung, bei der fünf oder mehr Elemente jeweils zwischen 5 und 35 Prozent des Ganzen ausmachen, ohne dass ein einzelnes Element dominiert. Im Gegensatz zu konventionellen Legierungen, die um eine primäre Matrix aufgebaut sind (Eisen in Stahl, Aluminium in Aluminium-Legierungen), verteilen HEAs Atome vergleichbarer Größe und Konzentration über eine einzige kristalline Phase. Dieser grundlegende Unterschied in der Struktur erzeugt Werkstoffe mit ungewöhnlichen Kombinationen aus Härte, Zähigkeit und Wärmebeständigkeit, die konventionelle Legierungen schwer erreichen.
Der Begriff "Hochentropie" bezieht sich auf die thermodynamische Unordnung, die in der Mikrostruktur eingelagert ist. Wenn mehrere Elemente Gitterplätze mit ungefähr gleicher Wahrscheinlichkeit besetzen, ist die Konfigurationsentropie der festen Lösung sehr hoch, was die Einhastigkeit-Struktur auch bei Mischungsverhältnissen stabilisiert, die normalerweise zu Entmischung oder Ausscheidung führen würden. Diese entropiegetriebene Stabilität ermöglicht es HEAs, gleichmäßige Eigenschaften über breitere Temperaturbereiche hinweg zu bewahren als herkömmliche Legierungen.
Übliche Systeme und Eigenschaften
Die äquiatomare Legierung CoCrFeMnNi, eine der ersten entdeckten HEAs, zeigt eine flächenzentriert kubische Struktur und bleibt bei kryogenen Temperaturen zäh, wo die meisten Stähle spröde werden. Refraktäre HEAs auf Basis von Wolfram, Molybdän, Tantal und Niob widerstehen extremer Hitze; einige behalten eine Streckgrenze über 1000 MPa bei 1200 Grad Celsius. Leichtere Systeme wie AlCoCrFeNi bieten Gewichtseinsparungen für Luftfahrtanwendungen, aber aluminiumhaltige HEAs können unter Phasentrennung und Sprödigkeit leiden, wenn die Abkühlung nicht kontrolliert wird.
Die Herausforderung bei HEAs liegt in der Verarbeitung und den Kosten. Das Erschmelzen mehrerer Elemente zu einer homogenen Zusammensetzung erfordert sorgfältige Kontrolle von Oxidation und Temperaturgradienten. Das Gießen führt oft zu Entmischung, es sei denn, es folgt eine Homogenisierungsglühung nach. Die Rohstoffkosten sind höher als bei Eisen- oder Aluminium-Legierungen, da Tantal, Kobalt und Nickel Premiumpreise erzielen. Auch Zerspanung und Umformung bereiten Schwierigkeiten: die hohe Härte, die HEAs im Einsatz attraktiv macht, macht sie hartnäckig in der Bearbeitung.
HEAs bleiben hauptsächlich ein Forschungs- und Anwendungsgebiet für spezielle Anforderungen. Rüstungsauftragnehmer und Luftfahrtlieferanten testen sie für Turbinenschaufeln und Panzerung. Chemische Betriebe erkunden sie für aggressive Umgebungen. Die Serienproduktion ist begrenzt; sie konkurrieren mit etablierten Superlegierungen und nichtrostenden Stählen, die Jahrzehnte an Zuverlässigkeitsdaten und etablierte Lieferketten haben. Das Feld ist noch jung genug, dass die Zusammensetzungsgestaltung teilweise auf empirische Entdeckung statt auf Vorhersagemodelle angewiesen ist, daher erfordert jedes neue System Tests vor dem Einsatz.