知っておくべき高エントロピー合金のいくつかの重要な側面

はじめに

高エントロピー金属合金（HEA）は、従来の合金に代わる有望な材料として登場した新しいクラスの材料である。ここでは、HEAについて考慮すべきいくつかの重要な事実を紹介する。このような未来の材料について、理解を深めていただければ幸いである。

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図1.高エントロピー合金の例

高エントロピー合金とは？

--定義

高エントロピー合金（HEA）とは、5種類以上の金属元素を含み、無秩序な構造を持ち、高いエントロピーを持つ先端材料である。HEAは従来の合金とは全く異なる。HEAは従来の合金とは全く異なるもので、1つの金属元素を主成分とするのではなく、複数の金属元素を主成分とする。すなわち、HEAは少なくとも5つの元素を含み、すべての元素の割合は等しいか、ほぼ等しい。これらの合金はまた、高エントロピーを特徴とし、その結果、そのユニークな特性と応用につながっている。

--特性

HEAは、従来の合金には見られない優れた特性の組み合わせを持っています。これらの特性には、高強度、延性、熱安定性などが含まれます。また、耐摩耗性、耐食性、高温特性にも優れており、過酷な環境での使用に最適です。

例えば、VNbMoTaWは1,400℃の温度でも600MPa (87 ksi)を超える高い降伏強度を持つ。CoCrFeMnNiは、卓越した低温機械特性と高い破壊靭性を持つ。Al0.5CoCrCuFeNiは、従来の鋼やチタン合金と比較して、高い疲労寿命と耐久限界を持っています。

--生産

HEAの製造には、その複雑な組成と微細構造のため、粉末冶金、電着、メカニカルアロイングなどの特殊技術が必要である。HEAの大半は、アーク溶解や誘導溶解で製造される。スパッタリング、分子線エピタキシー（MBE）、機械的溶融を採用することもできる。これらの技術により、特定の用途に適した特性や微細構造を持つHEAを作ることができる。

図2.HEAの製造方法

--応用

HEAは、高温熱電用途、耐摩耗性コーティング、構造材料など、さまざまな用途で有望視されている。また、航空宇宙、自動車、バイオメディカル用途への応用も検討されている。HEAが示すユニークな特性の組み合わせは、従来の合金が故障する可能性のある過酷な環境での使用に理想的な候補となる。

HEAは、エンジン部品、ドライブトレイン部品、その他の構造装置を製造する自動車産業にも応用されています。さらに、これらの合金は、放射線と腐食に対する耐性のおかげで、原子力用途に有望な材料です。

高エントロピー合金の4つの基本原理

高エントロピー合金の4つの基本原理について説明しよう。

1.固溶体のエントロピー的安定化

最初の核となる効果はエントロピー的安定化である。これは、高い構成エントロピーが固溶体相の安定化につながる現象を指す。つまり、固溶体はギブスエネルギーが低いため、 金属間化合物よりも安定である。[2]

2.格子の激しい歪み

第二に、HEAの格子は、合金元素間のサイズの違いにより著しく歪んでおり、HEAの物理的・機械的特性に複数の影響を及ぼしている。

3.緩慢な拡散速度論

また、HEAは拡散速度が遅い。これは主に、原子が多くの元素を高濃度に含む固溶体中では拡散しにくいためである。

4.カクテル効果

最後に、HEAの組成は、複数の元素が互いに影響し合うため複雑であり、個々の元素の特性からは予測できない異常な挙動を示す。この現象はカクテル効果と呼ばれる。このような元素間の相互作用は、特殊でありながら予測困難な特性をもたらすことがある。

結論

一言で言えば、高エントロピー合金は、特性、特殊な製造方法、様々な用途への適合性において、卓越した組み合わせを提供します。また、(1)エントロピーの安定化、(2)格子の激しい歪み、(3)遅い拡散速度論、(4)カクテル効果、などでもよく知られている。HEAの研究が進むにつれて、その潜在能力が最大限に発揮され、さまざまな用途に使用されるさらに高度な材料の開発につながる可能性が高い。スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）は、高エントロピー合金の信頼できるサプライヤーです。ご興味のある方はお問い合わせください。

参考文献

[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).高エントロピー合金：A critical assessment of their founding principles and future prospects.International Materials Review. https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1180020