Legeringar med hög entropi, som är tillverkade av nästan lika delar av flera primära metaller, kan rymma stor potential för att skapa material med överlägsna mekaniska egenskaper.

Men med ett praktiskt taget obegränsat antal möjliga kombinationer, en utmaning för metallurger är att ta reda på var de ska fokusera sina forskningsinsatser i ett stort, outforskad värld av metalliska blandningar.

Ett team av forskare vid Georgia Institute of Technology har utvecklat en ny process som kan hjälpa till att vägleda sådana insatser. Deras tillvägagångssätt innebär att man bygger en kemisk karta med atomupplösning för att få ny insikt i individuella högentropilegeringar och hjälpa till att karakterisera deras egenskaper.

I en studie publicerad 9 oktober i tidskriften Natur , forskarna beskrev med hjälp av energidispersiv röntgenspektroskopi för att skapa kartor över enskilda metaller i två högentropilegeringar. Denna spektroskopiteknik, används i samband med transmissionselektronmikroskopi, detekterar röntgenstrålar som avges från ett prov under bombardering av en elektronstråle för att karakterisera grundkompositionen hos ett analyserat prov. Kartorna visar hur enskilda atomer ordnar sig inom legeringen, låta forskare leta efter mönster som kan hjälpa dem att designa legeringar med betoning på enskilda egenskaper.

Till exempel, kartorna kan ge forskare ledtrådar för att förstå varför ersättning av en metall med en annan kan göra en legering starkare eller svagare, eller varför en metall överträffar andra i extremt kalla miljöer.

"De flesta legeringar som används i tekniska applikationer har bara en primärmetall, såsom järn i stål eller nickel i nickelbaserade superlegeringar, med relativt små mängder andra metaller, "sade Ting Zhu, en professor vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Tech. "Dessa nya legeringar som har relativt höga koncentrationer av fem eller flera metaller öppnar möjligheten för okonventionella legeringar som kan ha oöverträffade egenskaper. Men det här är ett nytt kompositionsutrymme som inte har undersökts, och vi har fortfarande en mycket begränsad förståelse för denna materialklass. "

Namnet "hög entropi" avser bristen på likformighet i blandningen av metaller samt hur många olika och lite slumpmässiga sätt atomerna från metallerna kan ordnas när de kombineras.

De nya kartorna kan hjälpa forskare att avgöra om det finns några okonventionella atomstrukturer som sådana legeringar tar som kan utnyttjas för tekniska tillämpningar, och hur mycket kontrollforskare kan ha över blandningarna för att "ställa in" dem för specifika egenskaper, Sa Zhu.

För att testa den nya avbildningsmetoden, forskargruppen jämförde två högentropilegeringar innehållande fem metaller. Den ena var en blandning av krom, järn, kobolt, nickel, och mangan, en kombination som vanligen kallas en "Cantor" -legering. Den andra var likartad men substituerad palladium med mangan. Att en substitution resulterade i mycket olika beteenden i hur atomerna ordnade sig i blandningen.

"I Cantor -legeringen, fördelningen av alla fem elementen är genomgående slumpmässig, "Sade Zhu." Men med den nya legeringen som innehåller palladium, elementen visar betydande aggregationer på grund av den mycket olika atomstorleken hos palladiumatomer samt deras skillnad i elektronegativitet jämfört med de andra elementen. "

I den nya legeringen med palladium, kartläggningen visade att palladium tenderade att bilda stora kluster medan kobolt tycktes samlas på platser där järn var i låga koncentrationer.

Dessa aggregeringar, med sina storlekar och avstånd inom några nanometer, ger starkt deformationsmotstånd och kan förklara skillnaderna i mekaniska egenskaper från en högentropilegering till en annan. Vid ansträngningstester, legeringen med palladium uppvisade högre flythållfasthet samtidigt som den bibehöll liknande töjningshärdning och draghållfasthet som Cantor -legeringen.

"Atomskalans modulering av elementfördelning ger fluktuationer i gitterresistansen, som starkt ställer in dislokationsbeteenden, "sa Qian Yu, en medförfattare av tidningen och en professor vid Zhejiang University. "Sådan modulering sker i en skala som är finare än nederbördshärdning och är större än den för traditionell fast lösningsförstärkning. Och den ger förståelse för den inneboende karaktären hos legeringar med hög entropi."

Resultaten kan göra det möjligt för forskare att skräddarsy legeringar i framtiden, utnyttja en eller annan fastighet.

Teamet omfattade också forskare från University of Tennessee, Knoxville; Tsinghua-universitetet; och den kinesiska vetenskapsakademien.