Leghe ad alta entropia: proprietà, leghe multicomponente

Le leghe ad alta entropia sono materiali avanzati composti da più di quattro elementi principali, noti per le loro proprietà uniche come eccezionale resistenza meccanica, resistenza alla corrosione e stabilità termica.

Sin dall’antichità si sono ricercati nuovi materiali per ottenere specie che potessero essere utilizzate per gli scopi più diversi. Dall’età del Bronzo per ottenere una lega si partiva da un metallo, nella fattispecie il rame, che costituisce l’elemento di base, a cui erano aggiunti altri metalli in quantità minore.

Il progresso della scienza ha consentito di ottenere leghe sempre diverse a seconda delle necessità e le leghe ad alta entropia rappresentano un materiale avanzato emergente e sono un concetto rivoluzionario del campo di progettazione delle leghe proposto nel 2004.  Le leghe ad alta entropia hanno progressivamente attirato un notevole interesse, a causa di molte proprietà eccezionali, come elevata resistenza e durezza, straordinaria duttilità e tenacità alla frattura , resistenza alla corrosione

Si presume che esse siano stabilizzate da un’elevata entropia di miscelazione che favorisce una fase di soluzione solida invece di una miscela di fasi intermetalliche .

Leghe multicomponente

Nell’ambito della ricerca di nuovi materiali da qualche decennio si è operato con una strategia diversa ovvero miscelando almeno cinque elementi in quantità uguali. Ciò ha portato a  leghe multicomponenti  definite come leghe ad alta entropia a causa dell’alta entropia dovuta alla mescolanza casuale degli elementi e indicate con l’acronimo di HEAs (High-entropy alloys).

Si supponeva che una lega costituita da molti elementi potesse avere molte fasi e composti intermetallici difficili da analizzare e quindi con usi pratici limitati. Tuttavia le risultanze sperimentali dimostrano che l’elevata entropia di mescolamento facilita la formazione di fasi di soluzioni solide con strutture semplici e conseguente riduzione del numero di fasi.

Una maggiore entropia abbassa l’energia libera e facilita la formazione di fasi di soluzioni solide specialmente a temperature elevate. A causa di questa maggiore solubilità reciproca tra gli elementi costitutivi, il numero di fasi presenti in questo tipo di leghe è ridotto. Poiché G = H – TS essendo G l’energia libera di Gibbs, H l’entalpia, T la temperatura e S l’entropia, è stabilizzata una fase a maggior entropia purché la temperatura sia sufficientemente elevata.

Lo studio di queste leghe, rispetto a quelle tradizionali, è ancora agli albori ma si è rilevato che esse hanno:

• eccellente resistenza specifica
• prestazioni meccaniche superiori a temperature elevate
• eccezionali doti di duttilità
• tenacità a temperature criogeniche
• superparamagnetismo e superconduttività.

L’elevata entropia di mescolamento di queste leghe ad elevate temperature facilita la formazione di soluzioni solide monofase. Pertanto grazie alla lenta diffusione degli elementi costitutivi si verificano ottime prestazioni meccaniche a temperature elevate.

Proprietà delle leghe ad alta entropia

Alcune leghe ad alta entropia hanno proprietà interessanti a causa dell’elevata entropia configurazionale che ne limita la precipitazione. Ad esempio la lega TiCoCrCuFeNi ha proprietà superparamagnetiche, la lega Ta₃₄Nb₃₃Hf₈Zr₁₄Ti₁₁ con struttura cubica a corpo centrato mostra superconduttività alla temperatura critica di 7.3 K. Pertanto può essere utilizzata in forti elettromagneti superconduttori presenti in acceleratori di particelle e in macchinari di NMR.

Un altro esempio di lega ad alta entropia è CrMnFeCoNi che, nonostante la diversa struttura cristalline dei singoli elementi cristallizza in un’unica fase ovvero in una struttura cubica a facce centrate.

Questa lega presenta eccezionali proprietà meccaniche. La sua resistenza aumenta al diminuire della temperatura in modo eclatante. Invece aumenta la sua duttilità del materiale e la resistenza alla frattura, rimane costante o addirittura aumenta lievemente.

Una lega con queste proprietà si presta ad applicazioni criogeniche come recipienti di stoccaggio per gas liquefatti come i gas naturale, l’idrogeno e l’ossigeno.

Applicazioni delle leghe ad alta entropia

Le leghe ad alta entropia  rappresentano una nuova classe di materiali metallici che, grazie alla loro composizione multicomponente e all’elevato disordine configurazionale, offrono una combinazione unica di proprietà meccaniche, termiche e chimiche. Tali caratteristiche ne ampliano notevolmente le potenziali applicazioni, rendendole promettenti in diversi settori strategici, dall’aerospaziale all’energia, fino alla biomedicina e all’elettronica.

1. Settore aerospaziale e automobilistico
Le leghe ad alta entropia si distinguono per la loro elevata resistenza meccanica, ottima stabilità termica e resistenza all’ossidazione, anche a temperature estreme. Queste proprietà le rendono ideali per componenti strutturali soggetti a forti sollecitazioni, come turbine, ugelli di motori a reazione, pale di compressori e rivestimenti protettivi per motori a combustione interna. Rispetto alle leghe tradizionali a base di nichel o titanio, alcune HEA offrono prestazioni comparabili o superiori, con il vantaggio di una maggiore stabilità microstrutturale durante i cicli termici prolungati.

2. Applicazioni in campo energetico
Nel settore dell’energia, le leghe ad alta entropia trovano impiego in ambienti estremi come quelli dei reattori nucleari o delle centrali elettriche ad alta temperatura, grazie alla loro resistenza alla corrosione e all’irraggiamento. Inoltre, alcune leghe mostrano eccellente conduttività termica e resistenza all’usura, caratteristiche utili per scambiatori di calore, elettrodi e rivestimenti protettivi in sistemi di generazione e accumulo energetico. Recenti ricerche esplorano l’uso delle HEA anche come catalizzatori elettrochimici, per esempio nelle celle a combustibile e nei processi di riduzione dell’anidride carbonica, dove la complessità composizionale può favorire reazioni più selettive ed efficienti.

3. Applicazioni strutturali e rivestimenti
Le eccellenti proprietà meccaniche a bassa e alta temperatura, unite alla tenacità alla frattura e alla resistenza all’abrasione, rendono le HEA ottimi candidati per utensili da taglio, componenti meccanici ad alta usura e rivestimenti superficiali. Le leghe ad alta entropia a base di Cr, Co, Ni e Fe, per esempio, vengono già studiate per rivestimenti antiusura o anticorrosione su acciai e leghe leggere, applicati tramite tecniche come sputtering o deposizione termica.

4. Applicazioni elettroniche e magnetiche
Alcune leghe ad alta entropia presentano proprietà elettriche e magnetiche particolari, come magnetoresistenza elevata, ferromagnetismo a bassa temperatura o stabilità elettrica in condizioni estreme. Ciò le rende interessanti per dispositivi elettronici avanzati, sensori magnetici e applicazioni nella spintronica. Inoltre, le HEA a base di elementi conduttivi possono essere utilizzate per componenti elettronici soggetti a forti variazioni di temperatura, garantendo prestazioni costanti nel tempo.

5. Applicazioni biomediche
Le leghe ad alta entropia a base di elementi biocompatibili, come titanio, zirconio e tantalio, mostrano buona resistenza alla corrosione e ottima compatibilità biologica, caratteristiche che le rendono potenziali materiali per impianti e protesi. La possibilità di modulare la composizione consente di ottenere leghe con proprietà meccaniche simili a quelle dell’osso umano, riducendo i problemi legati alla rigidità e all’usura tipici dei materiali convenzionali.

6. Applicazioni nella ricerca e nei materiali funzionali
Oltre agli impieghi diretti, le leghe ad alta entropia sono oggetto di intenso studio come piattaforme di ricerca per comprendere il comportamento dei materiali complessi. La loro struttura multicomponente e la variabilità composizionale offrono opportunità uniche per sviluppare nuovi materiali funzionali con proprietà su misura, come superconduttori, materiali per celle termoelettriche o sistemi resistenti a radiazioni ad alta energia.

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