उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु

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Fcc CoCrFeMnNi का परमाणु संरचना मॉडल^[1]

उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु (एचईए) वे मिश्र धातु हैं जो (आमतौर पर) पांच या अधिक रासायनिक तत्वों के बराबर या अपेक्षाकृत बड़े अनुपात को मिलाकर बनाई जाती हैं। इन पदार्थों के संश्लेषण से पहले, विशिष्ट धातु मिश्र धातुओं में एक या दो प्रमुख घटक होते थे और अन्य तत्वों की थोड़ी मात्रा होती थी। उदाहरण के लिए, लोहे के गुणों को बेहतर बनाने के लिए उसमें अतिरिक्त तत्व मिलाए जा सकते हैं, जिससे लौह-आधारित मिश्र धातु का निर्माण होता है, लेकिन आमतौर पर काफी कम अनुपात में, जैसे कि विभिन्न इस्पात ्स में कार्बन, मैंगनीज और अन्य का अनुपात।^[2]इसलिए, उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु सामग्रियों का एक नया वर्ग है।^[1]^[2] उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु शब्द ताइवान के वैज्ञानिक जेई इन-वेई वाई एह द्वारा गढ़ा गया था|जिएन-वेई येह^[3] क्योंकि जब मिश्रण में तत्वों की संख्या अधिक होती है तो मिश्रण की एन्ट्रापी काफी अधिक होती है और उनका अनुपात लगभग बराबर होता है।^[4] कुछ वैकल्पिक नाम, जैसे बहु-घटक मिश्र धातु, संरचनात्मक रूप से जटिल मिश्र धातु और बहु-प्रमुख-तत्व मिश्र धातु भी अन्य शोधकर्ताओं द्वारा सुझाए गए हैं।^[5]^[6]

ये मिश्र धातुएँ वर्तमान में सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग में महत्वपूर्ण ध्यान का केंद्र हैं क्योंकि इनमें संभावित रूप से वांछनीय गुण हैं।^[2]इसके अलावा, अनुसंधान से संकेत मिलता है कि कुछ एचईए में पारंपरिक मिश्र धातुओं की तुलना में फ्रैक्चर यांत्रिकी, तन्य शक्ति और संक्षारण और ऑक्सीकरण प्रतिरोध की उच्च डिग्री के साथ काफी बेहतर ताकत-से-वजन अनुपात होता है।^[7]^[8]^[9] हालाँकि HEAs का अध्ययन 1980 के दशक से किया जा रहा है, 2010 के दशक में अनुसंधान में काफी तेजी आई है।^[2]^[6]^[10]^[11]^[12]^[13]^[14]

विकास

हालाँकि HEAs पर सैद्धांतिक दृष्टिकोण से 1981 में ही विचार किया गया था^[15] और 1996,^[16] और 1980 के दशक के दौरान, 1995 में ताइवान के वैज्ञानिक जीन-वेई येह|जिएन-वेई येह सिंचु, ताइवान, ग्रामीण इलाकों से गुजरते हुए वास्तव में उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु बनाने के तरीकों के बारे में अपने विचार लेकर आए। इसके तुरंत बाद, उन्होंने अपनी प्रयोगशाला में इन विशेष मिश्र धातुओं का निर्माण शुरू करने का फैसला किया, वह एक दशक से अधिक समय तक इन मिश्र धातुओं पर शोध करने वाले एकमात्र क्षेत्र थे। यूरोप, संयुक्त राज्य अमेरिका और दुनिया के अन्य हिस्सों के अधिकांश देश एचईए के विकास में पिछड़ गए। 2004 के बाद तक अन्य देशों की महत्वपूर्ण अनुसंधान रुचि विकसित नहीं हुई जब येह और उनके वैज्ञानिकों की टीम ने अत्यधिक उच्च तापमान और दबाव का सामना करने के लिए दुनिया की पहली उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु का निर्माण किया। संभावित अनुप्रयोगों में अत्याधुनिक रेस कारों, अंतरिक्ष यान, पनडुब्बियों, परमाणु रिएक्टरों में उपयोग शामिल है।^[17] जेट विमान, परमाणु हथियार, लंबी दूरी की आवाज़ से जल्द ह्सिउंग फेंग III, इत्यादि।^[18]^[19]

कुछ महीने बाद, येह के पेपर के प्रकाशन के बाद, ब्रायन कैंटर, आई. टी. एच. चांग, पी. नाइट और ए. जे. बी. विंसेंट की यूनाइटेड किंगडम की एक टीम द्वारा उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुओं पर एक और स्वतंत्र पेपर प्रकाशित किया गया था। येह उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु शब्द को गढ़ने वाले पहले व्यक्ति भी थे, जब उन्होंने ठोस समाधान चरण को स्थिर करने वाले तंत्र के रूप में उच्च विन्यास एन्ट्रॉपी को जिम्मेदार ठहराया था।^[20] कैंटर ने इस क्षेत्र में पहला काम 1970 के दशक के अंत और 1980 के दशक की शुरुआत में किया था, हालांकि उन्होंने 2004 तक प्रकाशित नहीं किया था। येह के काम से अनभिज्ञ, उन्होंने अपनी नई सामग्रियों को उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुओं के रूप में वर्णित नहीं किया, मल्टीकंपोनेंट मिश्र धातु शब्द को प्राथमिकता दी। उनके द्वारा विकसित बेस मिश्र धातु, इक्वेटोमिक FeCrMnNiCo, क्षेत्र में काफी काम का विषय रहा है, और इसे कैंटर मिश्र धातु के रूप में जाना जाता है, इसके समान डेरिवेटिव को कैंटर मिश्र धातु के रूप में जाना जाता है।^[21] यह एकल-चरण एफसीसी ( घन क्रिस्टल प्रणाली | फेस-केंद्रित क्यूबिक क्रिस्टल संरचना) ठोस समाधान बनाने वाले पहले एचईए में से एक था।^[22]

सामग्री के एक अलग वर्ग के रूप में उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुओं और बहु-घटक प्रणालियों के वर्गीकरण से पहले, परमाणु वैज्ञानिकों ने पहले से ही एक प्रणाली का अध्ययन किया था जिसे अब उच्च-एंट्रॉपी मिश्र धातु के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है: परमाणु ईंधन के भीतर Mo-Pd-Rh-Ru- टीसी कण अनाज की सीमाओं और विखंडन गैस बुलबुले पर बनते हैं।^[23] इन पाँच-धातु कणों के व्यवहार को समझना चिकित्सा उद्योग के लिए विशेष रुचि का विषय था क्योंकि टेक्नेटियम-99एम|टीसी-99एम एक महत्वपूर्ण चिकित्सा इमेजिंग आइसोटोप है।

परिभाषा

HEA की कोई सर्वमान्य परिभाषा नहीं है। मूल रूप से परिभाषित HEA को 5 और 35 परमाणु प्रतिशत के बीच सांद्रता वाले कम से कम 5 तत्वों वाले मिश्र धातु के रूप में परिभाषित किया गया है।^[20]हालाँकि, बाद के शोध ने सुझाव दिया कि इस परिभाषा का विस्तार किया जा सकता है। ओटो एट अल. सुझाव दिया गया कि केवल वे मिश्र धातुएँ जो बिना किसी अंतरधात्विक चरण के ठोस घोल बनाती हैं, उन्हें वास्तविक उच्च-एन्ट्रापी मिश्र धातु माना जाना चाहिए, क्योंकि क्रमबद्ध चरणों के गठन से सिस्टम की एन्ट्रापी कम हो जाती है।^[24] कुछ लेखकों ने चार-घटक मिश्रधातुओं को उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्रधातु के रूप में वर्णित किया है^[25] जबकि अन्य ने सुझाव दिया है कि मिश्र धातुएँ HEAs की अन्य आवश्यकताओं को पूरा करती हैं, लेकिन केवल 2-4 तत्वों के साथ^[26] या आदर्श गैस स्थिरांक और 1.5R के बीच एक मिश्रण एन्ट्रापी^[27] मध्यम-एन्ट्रॉपी मिश्रधातु माना जाना चाहिए।^[26]

मिश्र धातु डिजाइन

पारंपरिक मिश्र धातु डिजाइन में, इसके गुणों के लिए लोहा, तांबा या एल्यूमीनियम जैसे एक प्राथमिक तत्व को चुना जाता है। फिर, गुणों को सुधारने या जोड़ने के लिए थोड़ी मात्रा में अतिरिक्त तत्व जोड़े जाते हैं। यहां तक कि बाइनरी मिश्र धातु प्रणालियों में भी, ऐसे कुछ सामान्य मामले हैं जहां दोनों तत्वों का उपयोग लगभग समान अनुपात में किया जाता है जैसे कि सीसा-विश्वास मिलाप । इसलिए, प्रयोगात्मक परिणामों से बाइनरी चरण आरेखों के किनारों और टर्नरी प्लॉट के कोनों के पास के चरणों के बारे में बहुत कुछ ज्ञात है और केंद्रों के पास के चरणों के बारे में बहुत कम जानकारी है। उच्च-क्रम (4+ घटक) प्रणालियों में जिन्हें आसानी से द्वि-आयामी चरण आरेख पर प्रदर्शित नहीं किया जा सकता है, वस्तुतः कुछ भी ज्ञात नहीं है।^[21]

HEA का प्रारंभिक अनुसंधान एकल-चरणीय ठोस समाधान बनाने पर केंद्रित था, जो उच्च एन्ट्रापी मिश्र धातु की प्रमुख विशेषताओं को अधिकतम कर सकता है: उच्च एन्ट्रापी, सुस्त प्रसार, गंभीर जाली विरूपण और कॉकटेल प्रभाव। यह बताया गया है कि अधिकांश सफल सामग्रियों को सामग्री को मजबूत करने के लिए कुछ माध्यमिक चरण की आवश्यकता होती है,^[28]^[29] और यह कि अनुप्रयोग में उपयोग किए जाने वाले किसी भी HEA में मल्टीफ़ेज़ माइक्रोस्ट्रक्चर होगा।^[30]हालाँकि, एकल-चरणीय सामग्री बनाना अभी भी महत्वपूर्ण है क्योंकि HEA के अंतर्निहित तंत्र को समझने और विशेष गुण उत्पन्न करने वाली संरचना को खोजने के लिए विशिष्ट माइक्रोस्ट्रक्चर का परीक्षण करने के लिए एकल-चरणीय नमूना आवश्यक है।^[30]

चरण निर्माण

गिब्स का चरण नियम, $F=C-P+2$ , का उपयोग एक संतुलन प्रणाली में बनने वाले चरणों की संख्या पर ऊपरी सीमा निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। अपने 2004 के पेपर में, कैंटर ने 20-घटक मिश्र धातु बनाई जिसमें 5% Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, W, Mo, Nb, Al, Cd, Sn, Pb, Bi, Zn, Ge शामिल थे। , सी, एसबी, और एमजी। निरंतर दबाव पर, चरण नियम संतुलन पर 21 चरणों तक की अनुमति देगा, लेकिन वास्तव में बहुत कम चरण बनते हैं। प्रमुख चरण एक फलक-केंद्रित घनीय ठोस-समाधान चरण था, जिसमें मुख्य रूप से Fe, Ni, Cr, Co और Mn शामिल थे। उस परिणाम से, FeCrMnNiCo मिश्र धातु, जो केवल एक ठोस-समाधान चरण बनाती है, विकसित की गई थी।^[21]

ह्यूम-रोथरी नियम ऐतिहासिक रूप से यह निर्धारित करने के लिए लागू किए गए हैं कि कोई मिश्रण ठोस घोल बनाएगा या नहीं। उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुओं पर शोध से पता चला है कि बहु-घटक प्रणालियों में, इन नियमों में थोड़ी ढील दी जाती है। विशेष रूप से, यह नियम लागू नहीं होता है कि विलायक और विलेय तत्वों की क्रिस्टल संरचना समान होनी चाहिए, क्योंकि Fe, Ni, Cr, Co और Mn में शुद्ध तत्वों के रूप में चार अलग-अलग क्रिस्टल संरचनाएं होती हैं (और जब तत्व समान रूप से मौजूद होते हैं) सांद्रता, विलायक और विलेय तत्वों के बीच कोई सार्थक अंतर नहीं हो सकता है)।^[24]

थर्मोडायनामिक तंत्र

HEA का चरण गठन थर्मोडायनामिक्स और ज्यामिति द्वारा निर्धारित होता है। जब चरण निर्माण को थर्मोडायनामिक्स द्वारा नियंत्रित किया जाता है और गतिकी को नजरअंदाज कर दिया जाता है। मिश्रण की गिब्स मुक्त ऊर्जा|ΔG_mix (मिश्रण की गिब्स मुक्त ऊर्जा) को इस प्रकार परिभाषित किया गया है:

ΔG_mix = ΔH_mix - TΔS_mix

जहां एच_mix इसे मिश्रण की एन्थैल्पी के रूप में परिभाषित किया गया है, टी तापमान है, और एस_mix क्रमशः मिश्रण की एन्ट्रापी है। ΔH_mix और TΔS_mix HEA सामग्री के चरण को निर्धारित करने के लिए लगातार प्रतिस्पर्धा करें। अन्य महत्वपूर्ण कारकों में HEA के भीतर प्रत्येक तत्व का परमाणु आकार शामिल है, जहां ह्यूम-रोथरी नियम और {{ill|Akihisa Inoue's|lt=Akihisa Inoue|ja|井上明久|de|Akihisa Inoue|WD=Q418129}थोक धातु ग्लास के लिए } के तीन अनुभवजन्य नियम एक भूमिका निभाते हैं।

अव्यवस्थित ठोस तब बनते हैं जब परमाणु आकार का अंतर छोटा और ΔH होता है_mix पर्याप्त नकारात्मक नहीं है. ऐसा इसलिए है क्योंकि प्रत्येक परमाणु लगभग समान आकार का होता है और आसानी से एक दूसरे और ΔH का स्थान ले सकता है_mix एक यौगिक बनाने के लिए पर्याप्त कम नहीं है। जैसे-जैसे तत्वों के बीच आकार का अंतर बड़ा होता जाता है और ΔH बढ़ता जाता है, अधिक क्रमबद्ध HEAs बनते जाते हैं_mix अधिक नकारात्मक हो जाता है. जब प्रत्येक व्यक्तिगत तत्व का आकार अंतर बहुत बड़ा हो जाता है, तो HEAs के बजाय थोक धातु के गिलास बनते हैं। उच्च तापमान और उच्च ΔS_mix HEA के निर्माण को भी बढ़ावा देते हैं क्योंकि वे ΔG को काफी कम कर देते हैं_mix, जिससे HEA का निर्माण आसान हो जाता है क्योंकि यह इंटरमेटैलिक्स जैसे अन्य चरणों की तुलना में अधिक स्थिर होता है।^[31]

ये द्वारा विकसित बहु-घटक मिश्रधातुओं में अधिकतर या पूरी तरह से ठोस-समाधान चरण शामिल थे, जो बहु-घटक प्रणालियों में पहले के काम से अपेक्षा की गई थी, मुख्य रूप से धातु के चश्मे के क्षेत्र में।^[20]^[32] येह ने इस परिणाम को कई तत्वों वाले यादृच्छिक ठोस समाधान की उच्च कॉन्फ़िगरेशन, या मिश्रण की एन्ट्रॉपी, मिश्रण की एन्ट्रॉपी के लिए जिम्मेदार ठहराया। एक यादृच्छिक आदर्श ठोस समाधान के लिए मिश्रण एन्ट्रापी की गणना इस प्रकार की जा सकती है:

{\Delta }S_{mix}=-R\sum _{i=1}^{N}c_{i}\ln {c_{i}}

जहां R आदर्श गैस स्थिरांक है, N घटकों की संख्या है, और c_i घटक i का परमाणु अंश है। इससे यह देखा जा सकता है कि जिन मिश्रधातुओं में घटक समान अनुपात में मौजूद हैं उनमें सबसे अधिक एन्ट्रापी होगी, और अतिरिक्त तत्वों को जोड़ने से एन्ट्रापी बढ़ जाएगी। एक पाँच-घटक, विषुवतीय मिश्र धातु में 1.61R की मिश्रण एन्ट्रापी होगी।^[20]^[33]

Empirical parameters and design guidelines for forming solid solution HEAs
Parameter	Design guideline
∆S_mix	Maximized
∆H_mix	> -10 and < 5 kJ/mol
Ω	≥ 1.1
δ	≤ 6.6%
VEC	≥ 8 for fcc, <6.87 for bcc

हालाँकि, प्रत्येक प्रणाली में ठोस-समाधान चरण को स्थिर करने के लिए अकेले एन्ट्रापी पर्याप्त नहीं है। मिश्रण की एन्थैल्पी (ΔH) को भी ध्यान में रखा जाना चाहिए। इसका उपयोग करके गणना की जा सकती है:

{\Delta }H_{mix}=\sum _{i=1,i{\neq }j}^{N}4{\Delta }H_{AB}^{mix}c_{i}c_{j}

कहाँ ${\Delta }H_{AB}^{mix}$ ए और बी के लिए मिश्रण की द्विआधारी एन्थैल्पी है।^[34] झांग एट अल. अनुभवजन्य रूप से, पाया गया कि एक पूर्ण ठोस समाधान बनाने के लिए, ΔH_mix -10 और 5 kJ/mol के बीच होना चाहिए।^[33]इसके अलावा, ओटो एट अल। पाया गया कि यदि मिश्रधातु में ऐसे तत्वों का कोई जोड़ा शामिल है जो अपने बाइनरी सिस्टम में क्रमबद्ध यौगिक बनाते हैं, तो उन्हें युक्त एक बहु-घटक मिश्रधातु भी क्रमबद्ध यौगिक बनाने की संभावना रखता है।^[24]

दोनों थर्मोडायनामिक मापदंडों को एक एकल, इकाई रहित पैरामीटर Ω में जोड़ा जा सकता है:

\Omega ={\frac {T_{m}{\Delta }S_{mix}}{\left\vert {\Delta }H_{mix}\right\vert }}

जहां टी_m मिश्रधातु में तत्वों का औसत गलनांक है। Ω 1.1 से अधिक या उसके बराबर होना चाहिए, जिसका अर्थ है कि ठोस समाधान विकास को बढ़ावा देने के लिए, जमने के बिंदु पर एन्ट्रापी एन्थैल्पी पर हावी होती है।^[35]^[36]

तत्व संरचना को समायोजित करके Ω को अनुकूलित किया जा सकता है। वाइट जे.सी. ने Ω को अधिकतम करने के लिए एक अनुकूलन एल्गोरिदम प्रस्तावित किया है और प्रदर्शित किया है कि संरचना में मामूली बदलाव से Ω में भारी वृद्धि हो सकती है।^[30]

गतिज तंत्र

ठोस घोल बनाने के लिए घटकों की परमाणु त्रिज्याएँ भी समान होनी चाहिए। झांग एट अल. एक पैरामीटर प्रस्तावित किया गया δ, औसत जाली बेमेल, परमाणु त्रिज्या में अंतर का प्रतिनिधित्व करता है:

\delta ={\sqrt {\sum _{i=1}^{N}c_{i}\left(1-{\frac {r_{i}}{\bar {r}}}\right)^{2}}}

जहां आर_i तत्व i और की परमाणु त्रिज्या है ${\bar {r}}=\sum _{i=1}^{N}c_{i}r_{i}$ . ठोस-समाधान चरण के निर्माण के लिए δ ≤ 6.6% की आवश्यकता होती है, जो कि बल्क मेटैलिक ग्लास (बीएमजी) पर प्रयोगों के आधार पर एक अनुभवजन्य संख्या है।^[30] 6.6% के दोनों तरफ अपवाद पाए जाते हैं: 4% < δ ≤ 6.6% के साथ कुछ मिश्रधातुएं इंटरमेटालिक बनाती हैं,^[33]^[35]और ठोस-समाधान चरण δ > 9% के साथ मिश्र धातु में दिखाई देता है^[36]

HEAs में बहु-तत्व जाली अत्यधिक विकृत है क्योंकि सभी तत्व विलेय परमाणु हैं और उनकी परमाणु त्रिज्याएँ भिन्न हैं। δ विकार क्रिस्टल संरचना के कारण होने वाले जाली तनाव का मूल्यांकन करने में मदद करता है। जब परमाणु आकार का अंतर (δ) पर्याप्त रूप से बड़ा होता है, तो विकृत जाली ढह जाएगी और अनाकार संरचना जैसे एक नए चरण का निर्माण होगा। जाली विरूपण प्रभाव के परिणामस्वरूप ठोस घोल सख्त हो सकता है।^[2]

अन्य गुण

उन मिश्र धातुओं के लिए जो ठोस समाधान बनाते हैं, बनने वाली क्रिस्टल संरचना की भविष्यवाणी करने के लिए एक अतिरिक्त अनुभवजन्य पैरामीटर प्रस्तावित किया गया है। HEA आमतौर पर FCC (फेस-सेंटेड क्यूबिक), BCC (बॉडी-सेंटेड क्यूबिक), HCP (हेक्सागोनल क्लोज-पैक्ड), या उपरोक्त संरचनाओं का मिश्रण होते हैं, और यांत्रिक गुणों के संदर्भ में प्रत्येक संरचना के अपने फायदे और नुकसान होते हैं। HEA की संरचना की भविष्यवाणी करने की कई विधियाँ हैं। HEA संरचना की स्थिरता की भविष्यवाणी करने के लिए वैलेंस इलेक्ट्रॉन एकाग्रता (VEC) का उपयोग किया जा सकता है। HEA के भौतिक गुणों की स्थिरता इलेक्ट्रॉन एकाग्रता के साथ निकटता से जुड़ी हुई है (यह ह्यूम-रोथरी नियमों से इलेक्ट्रॉन एकाग्रता नियम से जुड़ी है)।

जब HEA कास्टिंग के साथ बनाया जाता है, तो केवल FCC संरचनाएं बनती हैं जब VEC 8 से बड़ा होता है। जब VEC 6.87 और 8 के बीच होता है, तो HEA BCC और FCC का मिश्रण होता है, और जब VEC 6.87 से नीचे होता है, तो सामग्री BCC होती है। HEA की कुछ क्रिस्टल संरचना तैयार करने के लिए, कुछ चरण स्थिरीकरण तत्वों को जोड़ा जा सकता है। प्रायोगिक तौर पर, अल और सीआर जैसे तत्वों को जोड़ने से बीसीसी एचईए के निर्माण में मदद मिलती है जबकि नी और सीओ एफसीसी एचईए के निर्माण में मदद कर सकते हैं।^[31]

संश्लेषण

मौजूदा तकनीकों का उपयोग करके उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुओं का निर्माण करना कठिन है as of 2018^[update], और आम तौर पर महंगी सामग्री और विशेष प्रसंस्करण तकनीकों दोनों की आवश्यकता होती है।^[37] उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्रधातुएँ अधिकतर उन विधियों का उपयोग करके उत्पादित की जाती हैं जो धातु चरण पर निर्भर करती हैं - यदि धातुओं को तरल, ठोस या गैस अवस्था में संयोजित किया जाता है।

अधिकांश एचईए का उत्पादन तरल-चरण विधियों का उपयोग करके किया गया है, जिसमें चाप पिघलना, प्रेरण पिघलना और ब्रिजमैन का जमना शामिल हैं।^[35]*
ठोस-अवस्था प्रसंस्करण आमतौर पर उच्च-ऊर्जा बॉल मिल का उपयोग करके यांत्रिक मिश्रधातु द्वारा किया जाता है। यह विधि पाउडर का उत्पादन करती है जिसे पारंपरिक पाउडर धातु विज्ञान विधियों या स्पार्क प्लाज्मा सिंटरिंग का उपयोग करके संसाधित किया जा सकता है। यह विधि ऐसी मिश्रधातुओं का उत्पादन करने की अनुमति देती है जिनका कास्टिंग का उपयोग करके उत्पादन करना मुश्किल या असंभव होगा, जैसे कि AlLiMgScTi।^[35]^[12]^[38]
यांत्रिक मिश्रधातु का पारंपरिक तरीका सभी आवश्यक तत्वों को एक चरण में मिलाता है, जहां ए, बी, सी, डी तत्व सीधे एबीसीडी बनाने के लिए एक साथ मिल जाते हैं। वैद्य एट अल. यांत्रिक मिश्रधातु के साथ HEA बनाने की एक नई विधि प्रस्तावित की गई है जिसे अनुक्रमिक मिश्रधातु कहा जाता है, जहां तत्वों को चरण दर चरण जोड़ा जाता है।^[39] AlCoCrFeNi उच्च एन्ट्रॉपी मिश्र धातु बनाने के लिए, वैद्य टीम ने पहले बाइनरी CoNi मिश्र धातु बनाई और फिर Fe को तृतीयक CoFeNi बनाने के लिए, Cr को CoCrFeNi बनाने के लिए, और Al को AlCoCrFeNi बनाने के लिए जोड़ा। समान मिश्र धातु संरचना को अलग-अलग अनुक्रम के माध्यम से उत्पादित किया जा सकता है और अलग-अलग अनुक्रम बीसीसी और एफसीसी चरणों के विभिन्न हिस्सों की ओर ले जाता है, जो इस विधि की पथ निर्भरता को दर्शाता है। उदाहरण के लिए, कुल मिलाकर 70 घंटों के लिए AlNiCoFeCr मिलिंग का एक क्रम 100% BCC चरण के साथ मिश्र धातु का उत्पादन करता है जबकि AlCoNiFeCr का 70 घंटों के लिए अनुक्रम मिलिंग 80% BCC चरण के साथ मिश्र धातु का उत्पादन करता है।^[39]
गैस-चरण प्रसंस्करण में स्पंदन या आणविक किरण एपिटैक्सी (एमबीई) जैसी प्रक्रियाएं शामिल हैं, जिनका उपयोग उच्च-एन्ट्रापी धातु प्राप्त करने के लिए विभिन्न मौलिक रचनाओं को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है।^[40] या सिरेमिक फिल्में।^[35]

योगात्मक विनिर्माण^[41]^[17] एक अलग माइक्रोस्ट्रक्चर के साथ मिश्र धातु का उत्पादन कर सकते हैं, संभावित रूप से ताकत (1.3 गीगापास्कल तक) बढ़ाने के साथ-साथ लचीलापन भी बढ़ा सकते हैं।^[42]

अन्य तकनीकों में थर्मल स्प्रे, लेज़र क्लैडिंग और ELECTROPLATING शामिल हैं।^[35]^[43]

मॉडलिंग और सिमुलेशन

परमाणु-पैमाने की जटिलता उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुओं के कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग के लिए अतिरिक्त चुनौतियाँ प्रस्तुत करती है। CALPHAD विधि का उपयोग करके थर्मोडायनामिक मॉडलिंग के लिए बाइनरी और टर्नरी सिस्टम से एक्सट्रपलेशन की आवश्यकता होती है।^[44] अधिकांश वाणिज्यिक थर्मोडायनामिक डेटाबेस मुख्य रूप से एक ही तत्व से बनी मिश्रधातुओं के लिए डिज़ाइन किए गए हैं और केवल उन्हीं के लिए मान्य हो सकते हैं। इस प्रकार, उन्हें प्रायोगिक सत्यापन या अतिरिक्त एब इनिटियो क्वांटम रसायन विज्ञान विधियों जैसे घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) की आवश्यकता होती है।^[45] हालाँकि, जटिल, यादृच्छिक मिश्र धातुओं के डीएफटी मॉडलिंग की अपनी चुनौतियाँ हैं, क्योंकि विधि के लिए एक निश्चित आकार की सेल को परिभाषित करने की आवश्यकता होती है, जो गैर-यादृच्छिक आवधिकता का परिचय दे सकती है। इसे आमतौर पर विशेष अर्ध-यादृच्छिक संरचनाओं की विधि का उपयोग करके दूर किया जाता है, जो एक यादृच्छिक प्रणाली के रेडियल वितरण फ़ंक्शन को सबसे करीब से अनुमानित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है,^[46] वियना एब इनिटियो सिमुलेशन पैकेज के साथ संयुक्त। इस पद्धति का उपयोग करके, यह दिखाया गया है कि चार-घटक सम-परमाणु मिश्र धातु के परिणाम 24 परमाणुओं जितनी छोटी कोशिका के साथ अभिसरण करना शुरू कर देते हैं।^[47]^[48] सुसंगत संभावित सन्निकटन (सीपीए) के साथ मफिन-टिन सन्निकटन | सटीक मफिन-टिन कक्षीय विधि को भी एचईए को मॉडल करने के लिए नियोजित किया गया है।^[47]^[49] सीपीए पर आधारित एक अन्य दृष्टिकोण है $S^{(2)}$ बहुघटक मिश्रधातुओं के लिए सिद्धांत,^[50] जो दो-बिंदु सहसंबंध फ़ंक्शन, एक परमाणु शॉर्ट-रेंज ऑर्डर पैरामीटर, एबी इनिटियो का मूल्यांकन करता है।^[51]^[52]^[53] अन्य तकनीकों में 'एकाधिक यादृच्छिक रूप से आबादी वाले सुपरसेल' दृष्टिकोण शामिल है, जो एक सच्चे ठोस समाधान की यादृच्छिक आबादी का बेहतर वर्णन करता है (हालांकि यह कहीं अधिक कम्प्यूटेशनल रूप से मांग वाला है)।^[54] इस विधि का उपयोग क्रिस्टल लैटिस (थोक धातु ग्लास सहित) के बिना ग्लासी धातुओं और अनाकार प्रणालियों को मॉडल करने के लिए भी किया गया है।^[55]^[56]

इसके अलावा, लक्षित अनुप्रयोगों के लिए नए HEAs का सुझाव देने के लिए मॉडलिंग तकनीकों का उपयोग किया जा रहा है। इस 'कॉम्बिनेटोरियल विस्फोट' में मॉडलिंग तकनीकों का उपयोग लक्षित और तीव्र एचईए खोज और अनुप्रयोग के लिए आवश्यक है।

सिमुलेशन ने कुछ उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुओं में स्थानीय ऑर्डरिंग के लिए प्राथमिकता पर प्रकाश डाला है और, जब गठन की तापीय धारिता को विन्यासात्मक एन्ट्रापी के लिए शर्तों के साथ जोड़ा जाता है, तो ऑर्डर और विकार के बीच संक्रमण तापमान का अनुमान लगाया जा सकता है,^[57] किसी को यह समझने की अनुमति देना कि उम्र बढ़ने और मिश्र धातु के यांत्रिक गुणों में गिरावट जैसे प्रभाव कब एक मुद्दा हो सकते हैं।

ठोस समाधान (गलतता अंतर) तक पहुंचने के लिए संक्रमण तापमान को हाल ही में लेडरर-तोहर-वेक्चिओ-कर्टारोलो थर्मोडायनामिक मॉडल के साथ संबोधित किया गया था।^[58]

चरण आरेख पीढ़ी

एकल चरण HEAs की खोज करते समय विश्वसनीय थर्मोडायनामिक डेटा बेस के साथ CALPHAD (चरण आरेखों की गणना) विधि एक प्रभावी उपकरण हो सकती है। हालाँकि, यह विधि सीमित हो सकती है क्योंकि इसमें टर्नरी चरण आरेख के ज्ञात बाइनरी से एक्सट्रपलेशन की आवश्यकता होती है, यह विधि सामग्री संश्लेषण की प्रक्रिया को भी ध्यान में नहीं रखती है। साथ ही यह विधि केवल संतुलन चरणों की भविष्यवाणी कर सकती है।^[59] HEA के चरण आरेख को उच्च परिणाम स्क्रीनिंग | उच्च थ्रूपुट प्रयोग (HTE) के माध्यम से प्रयोगात्मक रूप से खोजा जा सकता है। यह विधि तेजी से सैकड़ों नमूने तैयार करती है, जिससे शोधकर्ता को एक चरण में संरचना के एक क्षेत्र का पता लगाने की अनुमति मिलती है, जिससे एचईए के चरण आरेख को जल्दी से मैप करने के लिए उपयोग किया जा सकता है।^[60] HEA के चरण की भविष्यवाणी करने का दूसरा तरीका एन्थैल्पी एकाग्रता के माध्यम से है। यह विधि एकल चरण HEA के विशिष्ट संयोजन को ध्यान में रखती है और समान संयोजन को अस्वीकार कर देती है जिसे एकल चरण नहीं दिखाने का प्रयास किया गया है। यह मॉडल एन्थैल्पी की गणना के लिए पहले सिद्धांत उच्च थ्रूपुट घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत का उपयोग करता है। इस प्रकार किसी प्रयोग इनपुट की आवश्यकता नहीं है, और इसने रिपोर्ट किए गए प्रयोगात्मक परिणाम के साथ उत्कृष्ट सहमति दिखाई है।^[61]

गुण और संभावित उपयोग

यांत्रिक

यांत्रिक गुणों के निर्धारण में HEAs की क्रिस्टल संरचना को प्रमुख कारक पाया गया है। बीसीसी एचईए में आम तौर पर उच्च उपज शक्ति और कम लचीलापन होता है और एफसीसी एचईए के लिए इसका विपरीत होता है। कुछ मिश्र धातुएँ अपने असाधारण यांत्रिक गुणों के लिए विशेष रूप से विख्यात हैं। एक दुर्दम्य मिश्र धातु, VNbMoTaW उच्च उपज शक्ति (>) बनाए रखता है600 MPa (87 ksi)) के तापमान पर भी 1,400 °C (2,550 °F), Inconel 718 जैसे पारंपरिक सुपरअलॉय से काफी बेहतर प्रदर्शन कर रहा है। हालांकि, कमरे के तापमान पर लचीलापन खराब है, रेंगना (विरूपण) प्रतिरोध जैसे अन्य महत्वपूर्ण उच्च तापमान गुणों के बारे में कम जानकारी है, और मिश्र धातु का घनत्व पारंपरिक निकल-आधारित सुपरअलॉय से अधिक है। .^[35]

CoCrFeMnNi में असाधारण कम तापमान वाले यांत्रिक गुण और उच्च फ्रैक्चर क्रूरता पाई गई है, परीक्षण तापमान को कमरे के तापमान से कम करने पर लचीलापन और उपज शक्ति दोनों में वृद्धि हुई है। 77 K (−321.1 °F). इसे नैनोस्केल जुड़वां सीमा गठन की शुरुआत के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था, एक अतिरिक्त विरूपण तंत्र जो उच्च तापमान पर प्रभावी नहीं था। अल्ट्रालो तापमान पर, दाँतों द्वारा अमानवीय विकृति की सूचना मिली है।^[62] इस प्रकार, इसका उपयोग कम तापमान वाले अनुप्रयोगों में एक संरचनात्मक सामग्री के रूप में या, इसकी उच्च कठोरता के कारण, ऊर्जा-अवशोषित सामग्री के रूप में हो सकता है।^[63] हालाँकि, बाद के शोध से पता चला कि कम तत्वों या गैर-समपरमाण्विक रचनाओं वाले निम्न-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुओं में अधिक ताकत हो सकती है^[64] या उच्चतर कठोरता.^[65] 77 K तक के परीक्षण में bcc AlCoCrFeNi मिश्र धातु में कोई तन्य-भंगुर संक्रमण तापमान नहीं देखा गया।^[35]

अल_0.5CoCrCuFeNi में उच्च थकान (सामग्री) और सहनशक्ति सीमा पाई गई, जो संभवतः कुछ पारंपरिक स्टील और टाइटेनियम मिश्र धातुओं से अधिक थी। लेकिन परिणामों में महत्वपूर्ण परिवर्तनशीलता थी, जिससे पता चलता है कि सामग्री विनिर्माण के दौरान एल्यूमीनियम ऑक्साइड कणों और माइक्रोक्रैक जैसे दोषों के प्रति बहुत संवेदनशील है।^[66] एक एकल-चरण नैनोक्रिस्टलाइन अल₂₀वह₂₀मिलीग्राम₁₀अनुसूचित जाति₂₀का₃₀ मिश्र धातु को 2.67 ग्राम सेमी घनत्व के साथ विकसित किया गया था⁻³ और 4.9 - 5.8 जीपीए की सूक्ष्म कठोरता, जो इसे सिलिकन कार्बाइड जैसी सिरेमिक सामग्री की तुलना में अनुमानित ताकत-से-वजन अनुपात प्रदान करेगी,^[12]हालाँकि स्कैंडियम की उच्च लागत संभावित उपयोग को सीमित करती है।^[67]

थोक HEAs के बजाय, छोटे पैमाने के HEA नमूने (उदाहरण के लिए NbTaMoW माइक्रो-पिलर) 4 - 10 GPa की असाधारण रूप से उच्च उपज शक्ति प्रदर्शित करते हैं - जो इसके थोक रूप की तुलना में अधिक परिमाण का एक क्रम है - और उनकी लचीलापन में काफी सुधार हुआ है। इसके अतिरिक्त, ऐसी HEA फिल्में उच्च तापमान, लंबी अवधि की स्थितियों (3 दिनों के लिए 1,100 डिग्री सेल्सियस पर) के लिए काफी बढ़ी हुई स्थिरता दिखाती हैं। इन गुणों को संयोजित करने वाले छोटे पैमाने के HEAs संभावित रूप से उच्च-तनाव और उच्च-तापमान अनुप्रयोगों के लिए छोटे-आयाम वाले उपकरणों में सामग्रियों की एक नई श्रेणी का प्रतिनिधित्व करते हैं।^[40]^[25]

2018 में, ऑर्डर किए गए ऑक्सीजन कॉम्प्लेक्स के सावधानीपूर्वक प्लेसमेंट के आधार पर नए प्रकार के एचईए, एक प्रकार के ऑर्डर किए गए अंतरालीय कॉम्प्लेक्स, का उत्पादन किया गया है। विशेष रूप से, टाइटेनियम, हेफ़नियम और zirconium की मिश्रधातुओं में कार्य सख्त करने और लचीलेपन की विशेषताओं को बढ़ाया गया है।^[68]

बाला एट अल. Al5Ti5Co35Ni35Fe20 उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु की सूक्ष्म संरचना और यांत्रिक गुणों पर उच्च तापमान जोखिम के प्रभावों का अध्ययन किया गया। गर्म रोलिंग और वायु-शमन के बाद, मिश्र धातु को 7 दिनों के लिए 650-900 डिग्री सेल्सियस के तापमान रेंज में उजागर किया गया था। वायु-शमन के कारण γ′ वर्षा पूरे माइक्रोस्ट्रक्चर में समान रूप से वितरित हुई। उच्च तापमान के संपर्क के परिणामस्वरूप γ′ कणों की वृद्धि हुई और 700 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर, γ′ की अतिरिक्त वर्षा देखी गई। 1050 एमपीए की उपज शक्ति और 1370 एमपीए की अंतिम तन्यता उपज ताकत के साथ 650 डिग्री सेल्सियस के संपर्क के बाद उच्चतम यांत्रिक गुण प्राप्त किए गए थे। तापमान बढ़ने से यांत्रिक गुण और भी कम हो गये।^[69]

लियू एट अल. चतुर्धातुक गैर-समकोणीय उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु अल की एक श्रृंखला का अध्ययन किया_xसह_15xकरोड़_15xमें_70−x x के साथ 0 से 35% तक। जैसे ही अल सामग्री बढ़ी, जाली संरचना एफसीसी से बीसीसी में परिवर्तित हो गई और 12.5 से 19.3% की सीमा में अल सामग्री के साथ, γ′ चरण ने कमरे और ऊंचे तापमान दोनों पर मिश्र धातु का गठन किया और मजबूत किया। 19.3% पर अल सामग्री के साथ, γ′ और B2 चरणों से बनी एक लैमेलर यूटेक्टिक संरचना बनी। 70 वोल्ट% के उच्च γ′ चरण अंश के कारण, मिश्र धातु में 925 एमपीए की संपीड़न उपज शक्ति और कमरे के तापमान पर 29% का फ्रैक्चर तनाव और उच्च तापमान पर उच्च उपज शक्ति के साथ-साथ 789, 546, और 129 एमपीए के मान थे। 973, 1123, और 1273K के तापमान पर।^[70]

सामान्य तौर पर, दुर्दम्य उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुओं में ऊंचे तापमान पर असाधारण ताकत होती है लेकिन कमरे के तापमान पर वे भंगुर होते हैं। HfNbTaTiZr मिश्र धातु कमरे के तापमान पर 50% से अधिक की प्लास्टिसिटी के साथ एक अपवाद है। हालाँकि, उच्च तापमान पर इसकी ताकत अपर्याप्त है। उच्च तापमान शक्ति बढ़ाने के उद्देश्य से चिएन-चुआंग एट अल। HfNbTaTiZr की संरचना को संशोधित किया, और दुर्दम्य उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुओं के यांत्रिक गुणों का अध्ययन किया: HfMoTaTiZr और HfMoNbTaTiZr। दोनों मिश्रधातुओं में सरल बीसीसी संरचना होती है। उनके प्रयोगों से पता चला कि HfMoNbTaTiZr की उपज शक्ति 1200 डिग्री सेल्सियस पर HfNbTaTiZr की तुलना में 6 गुना अधिक थी, कमरे के तापमान पर मिश्र धातु में 12% का फ्रैक्चर स्ट्रेन बरकरार रखा गया था।^[71]

विद्युत और चुंबकीय

CoCrCuFeNi एक एफसीसी मिश्र धातु है जो अनुचुंबकीय पाया गया है। लेकिन टाइटेनियम जोड़ने पर, यह एक जटिल सूक्ष्म संरचना बनाता है जिसमें एफसीसी ठोस समाधान, अनाकार क्षेत्र और लव्स चरण के नैनोकण शामिल होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अतिपरचुंबकीय व्यवहार होता है।^[72] BiFeCoNiMn मिश्र धातु में उच्च चुंबकीय बलशीलता मापी गई है।^[43]ऐसे कई चुंबकीय उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु हैं जो मजबूत यांत्रिक गुणों के साथ आशाजनक नरम चुंबकीय व्यवहार प्रदर्शित करते हैं।^[73] 5.0 और 7.3 K के बीच संक्रमण तापमान के साथ, TaNbHfZrTi मिश्र धातुओं में अतिचालकता देखी गई।^[74]

थर्मल स्थिरता

चूंकि उच्च तापमान वाले वातावरण में उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुओं का उपयोग किया जाता है, इसलिए HEA को डिजाइन करने के लिए थर्मल स्थिरता बहुत महत्वपूर्ण है। यह नैनो-क्रिस्टलीय के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है जहां अनाज के विकास के लिए अतिरिक्त प्रेरक शक्ति मौजूद है। नैनो-क्रिस्टलीय एचईए के लिए दो पहलुओं पर विचार करने की आवश्यकता है: गठित चरणों की स्थिरता, जो थर्मोडायनामिक्स तंत्र (मिश्र धातु डिजाइन देखें) पर हावी है, और नैनोक्रिस्टलिनिटी की अवधारण।^[75] नैनो-क्रिस्टलीय HEAs की स्थिरता को कई कारकों द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जिसमें अनाज सीमा प्रसार, ऑक्साइड की उपस्थिति आदि शामिल हैं।

अन्य

कई तत्वों की उच्च सांद्रता के कारण प्रसार धीमा हो जाता है। शुद्ध धातुओं और स्टेनलेस स्टील्स की तुलना में CoCrFeMnNi में कई तत्वों के लिए प्रसार के लिए सक्रियण ऊर्जा अधिक पाई गई, जिससे प्रसार गुणांक कम हो गया।^[76] यह भी बताया गया है कि कुछ समान परमाणु बहुघटक मिश्र धातुएं ऊर्जावान विकिरण से होने वाली क्षति के प्रति अच्छा प्रतिरोध दिखाती हैं।^[77] हाइड्रोजन भंडारण अनुप्रयोगों के लिए उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुओं की जांच की जाती है।^[78]^[79] कुछ उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुएं जैसे TiZrCrMnFeNi वाणिज्यिक अनुप्रयोगों के लिए अच्छी भंडारण क्षमता के साथ कमरे के तापमान पर तेज़ और प्रतिवर्ती हाइड्रोजन भंडारण दिखाती हैं।^[80] उच्च-एन्ट्रॉपी सामग्रियों में ऊर्जा अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए उच्च क्षमता होती है, विशेष रूप से उच्च-एन्ट्रॉपी सिरेमिक के रूप में।^[81]^[82]

उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु फिल्में (HEAFs)

परिचय

अधिकांश HEAs वैक्यूम आर्क पिघलने द्वारा तैयार किए जाते हैं, जो µm-स्तर जैसे बड़े अनाज के आकार प्राप्त करते हैं। परिणामस्वरूप, उच्च-प्रदर्शन वाली उच्च एन्ट्रॉपी मिश्र धातु फिल्मों (HEAFs) से संबंधित अध्ययनों ने अधिक सामग्री वैज्ञानिकों को आकर्षित किया है। HEA थोक सामग्रियों की तैयारी के तरीकों की तुलना में, HEAF को 10^9 K/s की तेज शीतलन दर के साथ तेजी से जमने से आसानी से प्राप्त किया जाता है।^[83] तीव्र शीतलन दर घटक तत्वों के प्रसार को सीमित कर सकती है, चरण पृथक्करण को रोक सकती है, एकल ठोस-समाधान चरण या यहां तक कि एक अनाकार संरचना के निर्माण का पक्ष ले सकती है,^[84] और HEA थोक सामग्री (µm) की तुलना में छोटे अनाज का आकार (nm) प्राप्त करें। अब तक, HEAF को बनाने के लिए कई तकनीकों का उपयोग किया गया है जैसे कि छिड़काव, लेजर क्लैडिंग, इलेक्ट्रोडेपोजिशन और मैग्नेट्रोन स्पटरिंग। HEAFs के निर्माण के लिए मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली विधि है। एक अक्रिय गैस (Ar) को निर्वात कक्ष में पेश किया जाता है और यह एक उच्च वोल्टेज द्वारा त्वरित होता है जो सब्सट्रेट और लक्ष्य के बीच लगाया जाता है।^[85] परिणामस्वरूप, एक लक्ष्य पर ऊर्जावान आयनों द्वारा बमबारी की जाती है और कुछ परमाणु लक्ष्य सतह से बाहर निकल जाते हैं, फिर ये परमाणु सब्सट्रेट तक पहुंचते हैं और सब्सट्रेट पर संघनित होकर एक पतली फिल्म बनाते हैं।^[85]HEAF में प्रत्येक घटक तत्व की संरचना को किसी दिए गए लक्ष्य और फिल्म जमाव के दौरान शक्ति, गैस प्रवाह, पूर्वाग्रह और सब्सट्रेट और लक्ष्य के बीच काम करने की दूरी जैसे परिचालन मापदंडों द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। इसके अलावा, O जैसी प्रतिक्रियाशील गैसों को शामिल करके ऑक्साइड, नाइट्राइड और कार्बाइड फिल्में आसानी से तैयार की जा सकती हैं।₂, एन₂, और सी₂H₂. अब तक, ली एट अल। मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग तकनीक के माध्यम से HEAF तैयार करने के लिए तीन मार्गों का सारांश दिया गया।^[84]सबसे पहले, HEAFs के निर्माण के लिए एकल HEA लक्ष्य का उपयोग किया जा सकता है। जमा की गई फिल्मों की संबंधित सामग्री लगभग मूल लक्ष्य मिश्र धातु के बराबर होती है, भले ही प्रत्येक तत्व में प्री-स्पटरिंग चरण की मदद से अलग-अलग स्पटरिंग उपज होती है।^[84]हालाँकि, एकल HEA लक्ष्य तैयार करना बहुत समय लेने वाला और कठिन है। उदाहरण के लिए, Mn की उच्च वाष्पीकरण दर के कारण एक विषुवतीय CoCrFeMnNi मिश्र धातु लक्ष्य का उत्पादन करना कठिन है। इस प्रकार, एमएन की अतिरिक्त मात्रा की अपेक्षा करना और यह सुनिश्चित करने के लिए गणना करना कठिन है कि प्रत्येक तत्व समपरमाण्विक है। दूसरे, HEAF को विभिन्न धातु लक्ष्यों के साथ सह-स्पटरिंग जमाव द्वारा संश्लेषित किया जा सकता है।^[84]बिजली, पूर्वाग्रह, गैस प्रवाह आदि जैसी प्रसंस्करण स्थितियों को अलग करके रासायनिक संरचनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला को नियंत्रित किया जा सकता है। प्रकाशित पत्रों के आधार पर, बहुत से शोधकर्ताओं ने अल, मो, वी, एनबी, टीआई जैसे तत्वों की विभिन्न मात्रा को डोप किया। , और CoCrFeMnNi प्रणाली में एनडी, जो मिश्र धातु की रासायनिक संरचना और संरचना को संशोधित कर सकता है और यांत्रिक गुणों में सुधार कर सकता है। ये HEAF एकल CoCrFeMnNi मिश्र धातु और Al/Ti/V/Mo/Nb लक्ष्यों के साथ सह-स्पटरिंग जमाव द्वारा तैयार किए गए थे।^[86]^[87]^[88]^[89]^[90] हालाँकि, वांछित संरचना प्राप्त करने के लिए परीक्षण और त्रुटि की आवश्यकता होती है। CoCrFeMnNiAl लें_xउदाहरण के तौर पर फ़िल्में.^[86]क्रिस्टलीय संरचना x = 0.07 के लिए एकल एफसीसी चरण से x = 0.3 के लिए डुप्लेक्स एफसीसी + बीसीसी चरणों में बदल गई, और अंततः, x = 1.0 के लिए एकल बीसीसी चरण में बदल गई। वांछित रचनाएँ प्राप्त करने के लिए CoCrFeMnNi और Al लक्ष्यों की दोनों शक्तियों को अलग-अलग करके पूरी प्रक्रिया में हेरफेर किया गया था, जिसमें बढ़ती Al सामग्री के साथ FCC से BCC चरण में एक चरण संक्रमण दिखाया गया था। आखिरी वाला पाउडर लक्ष्य के माध्यम से है।^[84]लक्ष्य की संरचना को केवल अलग-अलग पाउडर के वजन अंशों को बदलकर समायोजित किया जाता है, लेकिन एकरूपता सुनिश्चित करने के लिए इन पाउडर को अच्छी तरह से मिश्रित किया जाना चाहिए। AlCoCrCuFeNi फिल्मों को दबाए गए बिजली लक्ष्यों को स्पटरिंग करके सफलतापूर्वक जमा किया गया था।^[91]

हाल ही में, अधिक शोधकर्ताओं ने उच्च कठोरता जैसे बेहतर गुणों के कारण नाइट्रोजन समावेशन के साथ HEAF के यांत्रिक गुणों की जांच की है। जैसा कि ऊपर बताया गया है, नाइट्राइड-आधारित HEAF को N को शामिल करके मैग्नेट्रोन स्पटरिंग के माध्यम से संश्लेषित किया जा सकता है₂ और Ar गैसें निर्वात कक्ष में। नाइट्रोजन प्रवाह अनुपात का समायोजन, आर_N = एन₂/(ऑन + एन₂), नाइट्रोजन की विभिन्न मात्रा प्राप्त कर सकते हैं। उनमें से अधिकांश ने चरण परिवर्तन और यांत्रिक गुणों के बीच संबंध का अध्ययन करने के लिए नाइट्रोजन प्रवाह अनुपात में वृद्धि की।

कठोरता और संबंधित मापांक मान

मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग विधि के माध्यम से कठोरता और संबंधित मापांक जैसे कम मापांक (ईआर) या लोचदार मापांक (ई) के दोनों मूल्यों में काफी वृद्धि होगी। ऐसा इसलिए है क्योंकि तीव्र शीतलन दर अनाज के आकार की वृद्धि को सीमित कर सकती है, अर्थात, HEAF में थोक समकक्षों की तुलना में छोटे अनाज के आकार होते हैं, जो अव्यवस्था की गति को रोक सकते हैं और फिर कठोरता और लोचदार मापांक जैसे यांत्रिक गुणों में वृद्धि कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, CoCrFeMnNiAl_xसह-स्पटरिंग विधि द्वारा फिल्में सफलतापूर्वक तैयार की गईं।^[86]यथा-जमा की गई CoCrFeMnNi फिल्म (Al₀) लगभग 5.71 जीपीए की कम कठोरता के साथ एक एकल एफसीसी संरचना का प्रदर्शन किया, और अल परमाणुओं की एक छोटी मात्रा को जोड़ने के परिणामस्वरूप अल की एफसीसी संरचना में 5.91 जीपीए की वृद्धि हुई।_0.07. अल को और जोड़ने से, डुप्लेक्स एफसीसी + बीसीसी चरण क्षेत्र में कठोरता तेजी से बढ़कर 8.36 जीपीए हो गई। जब चरण एकल बीसीसी संरचना में परिवर्तित हो गया, तो अल_1.3 फ़िल्म 8.74 GPa की अधिकतम कठोरता तक पहुँच गई। परिणामस्वरूप, एफसीसी से बीसीसी में संरचनात्मक परिवर्तन से एएल सामग्री में वृद्धि के साथ कठोरता में वृद्धि हुई। यह ध्यान देने योग्य है कि अल-डोप्ड CoCrFeMnNi HEAs को संसाधित किया गया है और उनके यांत्रिक गुणों को जियान एट अल द्वारा चित्रित किया गया है।^[92] और मापी गई कठोरता मान Hsu et al में शामिल हैं। तुलना के लिए काम करें. अल-डोप्ड CoCrFeMnNi HEAs की तुलना में, अल-डोप्ड CoCrFeMnNi HEAFs में बहुत अधिक कठोरता थी, जिसे HEAFs के बहुत छोटे आकार (nm बनाम µm) के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। इसके अलावा, अल में कम मापांक₀ और अल_1.3 क्रमशः 172.84 और 167.19 जीपीए हैं।

इसके अलावा, आरएफ-स्पटरिंग तकनीक CoCrFeMnNiTi जमा करने में सक्षम थी_xCoCrFeMnNi मिश्र धातु और Ti लक्ष्यों के सह-स्पटरिंग द्वारा HEAFs।^[87]Ti के लिए कठोरता तेजी से बढ़कर 8.61 GPa हो गई_0.2 CoCrFeMnNi मिश्र धातु प्रणाली में Ti परमाणुओं को जोड़कर, अच्छे ठोस समाधान को मजबूत करने वाले प्रभावों का सुझाव दिया गया है। Ti के और जुड़ने से, Ti_0.8 फिल्म की अधिकतम कठोरता 8.99 GPa थी। कठोरता में वृद्धि जाली विरूपण प्रभाव और अनाकार चरण की उपस्थिति दोनों के कारण थी, जिसे CoCrFeMnNi मिश्र धातु प्रणाली में बड़े Ti परमाणुओं को जोड़ने के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था। यह CoCrFeMnNiTix HEAs से भिन्न है क्योंकि थोक मिश्र धातु में मैट्रिक्स में इंटरमेटेलिक अवक्षेप होता है। इसका कारण शीतलन दर में अंतर है, यानी, थोक HEAs की तैयारी विधि में शीतलन दर धीमी है और इस प्रकार HEAs में इंटरमेटेलिक यौगिक दिखाई देगा। इसके बजाय, HEAF में शीतलन दर अधिक होती है और प्रसार दर सीमित होती है, इसलिए उनमें शायद ही कभी इंटरमेटेलिक चरण होते हैं। और Ti में मापांक कम हो गया_0.2 और टीआई_0.8 क्रमशः 157.81 और 151.42 जीपीए हैं। अन्य HEAF को मैग्नेट्रोन स्पटरिंग तकनीक द्वारा सफलतापूर्वक निर्मित किया गया था और कठोरता और संबंधित मापांक मान तालिका 1 में सूचीबद्ध हैं।

नाइट्राइड-HEAFs के लिए, हुआंग एट अल। (AlCrNbSiTiV)N फिल्में तैयार कीं और संरचना और यांत्रिक गुणों पर नाइट्रोजन सामग्री के प्रभाव की जांच की।^[93] उन्होंने पाया कि कठोरता (41 जीपीए) और लोचदार मापांक (360 जीपीए) दोनों मान अधिकतम तक पहुंच गए जब आर_N = 28% (AlCrMoTaTiZr)N_xफिल्म आर पर जमा की गई_N = 40.2 GPa की उच्चतम कठोरता और 420 GPa के लोचदार मापांक के साथ 40%।^[94] चांग एट अल. विभिन्न आर के तहत सिलिकॉन सब्सट्रेट पर निर्मित (TiVCrAlZr)N_N = 0 ~ 66.7%। आर पर_N = 50%, फिल्मों की कठोरता और लोचदार मापांक 11 और 151 जीपीए के अधिकतम मूल्यों तक पहुंच गए।^[95] लियू एट अल. (FeCoNiCuVZrAl)N HEAF का अध्ययन किया और R को बढ़ाया_N अनुपात 0 से 50% तक.^[96] उन्होंने आर पर एक अनाकार संरचना के साथ कठोरता और लोचदार मापांक के दोनों मूल्यों को 12 और 166 जीपीए की अधिकतमता प्रदर्शित की।_N = 30%. अन्य संबंधित नाइट्राइड-आधारित HEAF को तालिका 2 में संक्षेपित किया गया है। शुद्ध धात्विक HEAF (तालिका 1) की तुलना में, अधिकांश नाइट्राइड-आधारित फिल्मों में नाइट्रोजन से युक्त बाइनरी यौगिक के निर्माण के कारण बड़ी कठोरता और लोचदार म्युडल्स होते हैं। हालाँकि, अभी भी अपेक्षाकृत कम कठोरता वाली कुछ फ़िल्में हैं, जो 20 GPa से छोटी हैं, इसका कारण गैर-नाइट्राइड-बनाने वाले तत्वों का समावेश है।^[84]

अब तक, HEAF पर केंद्रित बहुत सारे अध्ययन हुए हैं और विभिन्न रचनाओं और तकनीकों को डिज़ाइन किया गया है। अनाज का आकार, चरण परिवर्तन, संरचना, घनत्व, अवशिष्ट तनाव और नाइट्रोजन, कार्बन और ऑक्सीजन की सामग्री भी कठोरता और लोचदार मापांक के मूल्यों को प्रभावित कर सकती है। इसलिए, वे अभी भी सूक्ष्म संरचनाओं और यांत्रिक गुणों और संबंधित अनुप्रयोगों के बीच सहसंबंध में तल्लीन हैं।

तालिका 1. मैग्नेट्रोन स्पटरिंग विधि के माध्यम से शुद्ध धात्विक HEAF और उनके चरण, कठोरता और संबंधित मापांक मूल्यों के बारे में प्रकाशित पत्र।

Composition	Phase	Hardness (GPa)	Related Modulus (GPa)	Reference
CoCrFeMnNi	FCC	5.71	Er = 172.84	^[86]
CoCrFeMnNiAl_1.3	BCC	8.74	Er = 167.19	^[86]
Al_0.3CoCrFeNi	FCC + BCC	11.09	E = 186.01	^[97]
CrCoCuFeNi	FCC + BCC	15	E = 181	^[98]
CoCrFeMnNiTi_0.2	FCC	8.61	Er = 157.81	^[87]
CoCrFeMnNiTi_0.8	Amorphous	8.99	Er = 151.42	^[87]
CoCrFeMnNiV_0.07	FCC	7.99	E = 206.4	^[88]
CoCrFeMnNiV_1.1	Amorphous	8.69	E = 144.6	^[88]
(CoCrFeMnNi)_99.5Mo_0.5	FCC	4.62	Er = 157.76	^[89]
(CoCrFeMnNi)_85.4Mo_14.6	Amorphous	8.77	Er = 169.17	^[89]
(CoCrFeMnNi)_92.8Nb_7.2	Amorphous	8.1	Er ~105	^[90]
TiZrNbHfTa	FCC	5.4	—	^[99]
FeCoNiCrCuAlMn	FCC + BCC	4.2	—	^[100]
FeCoNiCrCuAl_0.5	FCC	4.4	—	^[100]
AlCrMnMoNiZr	Amorphous	7.2	E = 172	^[101]
AlCrMoTaTiZr	Amorphous	11.2	E = 193	^[94]
AlCrTiTaZr	Amorphous	9.3	E = 140	^[102]
AlCrMoNbZr	BCC + Amorphous	11.8	—	^[103]
AlCrNbSiTiV	Amorphous	10.4	E = 177	^[93]
AlCrSiTiZr	Amorphous	11.5	E ~206	^[104]
CrNbSiTaZr	Amorphous	20.12	—	^[105]
CrNbSiTiZr	Amorphous	9.6	E = 179.7	^[106]
AlFeCrNiMo	BCC	4.98	—	^[107]
CuMoTaWV	BCC	19	E = 259	^[108]
TiVCrZrHf	Amorphous	8.3	E = 104.7	^[109]
ZrTaNbTiW	Amorphous	4.7	E = 120	^[110]
TiVCrAlZr	Amorphous	8.2	E = 128.9	^[95]
FeCoNiCuVZrAl	Amorphous	8.6	E = 153	^[96]

तालिका 2. नाइट्राइड-आधारित HEAF और उनकी संरचनाओं, संबंधित कठोरता और लोचदार मापांक मूल्यों के संबंध में वर्तमान प्रकाशन।

Composition	R_N (%)	Phase	Hardness (GPa)	Elastic Modulus (GPa)	Reference
(FeCoNiCuVZrAl)N	30	Amorphous	12	E = 166	^[96]
(TiZrNbHfTa)N	25	FCC	32.9	—	^[99]
(TiVCrAlZr)N	50	FCC	11	E = 151	^[95]
(AlCrTaTiZr)N	14	FCC	32	E = 368	^[102]
(FeCoNiCrCuAl_0.5)N	33.3	Amorphous	10.4	—	^[100]
(FeCoNiCrCuAlMn)N	23.1	Amorphous	11.8	—	^[100]
(AlCrMnMoNiZr)N	50	FCC	11.9	E = 202	^[101]
(TiVCrZrHf)N	3.85	FCC	23.8	E = 267.3	^[109]
(NbTiAlSiW)N	16.67	Amorphous	13.6	E = 154.4	^[111]
(NbTiAlSi)N	16.67	FCC	20.5	E = 206.8	^[111]
(AlCrNbSiTiV)N	5	FCC	35	E ~ 337	^[93]
(AlCrNbSiTiV)N	28	FCC	41	E = 360	^[93]
(AlCrTaTiZr)N	50	FCC	36	E = 360	^[112]
(Al_23.1Cr_30.8Nb_7.7Si_7.7Ti_30.7)N₅₀	—	FCC	36.1	E ~ 430	^[113]
(Al_29.1Cr_30.8Nb_11.2Si_7.7Ti_21.2)N₅₀	—	FCC	36.7	E ~ 380	^[113]
(AlCrSiTiZr)N	5	Amorphous	17	E ~ 232	^[104]
(AlCrSiTiZr)N	30	FCC	16	E ~ 232	^[104]
(AlCrMoTaTiZr)N	40	FCC	40.2	E = 420	^[94]
(AlCrTaTiZr)N	50	FCC	35	E = 350	^[114]
(CrTaTiVZr)N	20	FCC	34.3	E ~ 268	^[115]
(CrNbTiAlV)N	67.86	FCC	35.3	E = 353.7	^[116]
(HfNbTiVZr)N	33.33	FCC	7.6	E = 270	^[117]

यह भी देखें

संदर्भ

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मिश्र धातु डिजाइन

गतिज तंत्र

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विद्युत और चुंबकीय

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उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु फिल्में (HEAFs)

परिचय

कठोरता और संबंधित मापांक मान

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