Phasenbildung

Mit Hilfe der Gibbsschen Phasenregel ${\displaystyle f=N-P+2}$ kann die maximale Anzahl an Phasen, die theoretisch ein Gleichgewichtssystem ergeben, ermittelt werden. Bei konstantem Druck sind dies 21 Elemente. Cantor entwarf eine Legierung aus 20 verschiedenen Komponenten (Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, W, Mo, Nb, Al, Cd, Sn, Pb, Bi, Zn, Ge, Si, Sb und Mg). Alle Komponenten hatten einen Anteil von 5 Atomprozent. Als Ergebnis entstand hauptsächlich eine kubisch flächenzentrierte Phase bestehend hauptsächlich aus Fe, Ni, Cr, Co und Mn, welche auch noch im festen Zustand weiterbestand. Konventionelle Legierungen lassen sich nur mischen, wenn die Legierungselemente ähnliche Kristallsysteme besitzen (vgl. Hume-Rothery Regeln). Dies trifft auf Hoch-Entropie Legierungen nicht zu.

Thermodynamik

Die hergestellten Hoch-Entropie Legierungen bestehen alle aus Mischkristallen. Nach Yeh lässt sich das mit der hohen Mischungsentropie eines beliebigen Mischkristalls, der eine große Anzahl an Elementen besitzt, begründen. Phasen versuchen möglichst immer den niedrigsten Gibbs-Energiezustand einzunehmen. Daher und mit ${\displaystyle \Delta G=\Delta H-T\Delta S}$ steigt mit zunehmender Entropie (${\displaystyle \Delta S}$) die Wahrscheinlichkeit der Bildung solcher stabiler Hoch-Entropie Mischkristalle. Die Mischungsentropie kann mit Hilfe der folgenden Formel berechnet werden:

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

mit ${\displaystyle R}$ der idealen Gaskonstante, ${\displaystyle N}$ der Anzahl der Komponenten und ${\displaystyle c_{i}}$ der Atomkonzentration der Komponente i. Man erkennt, dass Legierungen mit gleicher Konzentration der Komponenten eine hohe Entropie besitzen. Des Weiteren sieht man, dass mit zusätzlichen Komponenten die Entropie weiter ansteigt. Eine Legierung bestehend aus 5 Komponenten (alle mit der gleichen Atomkonzentration) haben eine Mischungsentropie von ${\displaystyle 1{,}61R}$.

Des Weiteren muss die Mischungsenthalpie ${\displaystyle \Delta H_{\text{mix}}}$betrachtet werden. Diese wird wie folgt berechnet:

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

mit ${\displaystyle \Delta H_{AB}^{\text{mix}}}$ der binären Mischungsenthalpie der Komponenten A und B und c_i bzw. c_j der Atomkonzentrationen der Komponenten i bzw. j. Zhang et al. fand durch empirische Untersuchungen heraus, dass ${\displaystyle \Delta H_{\text{mix}}}$zwischen −10 und 5 kJ/mol liegt. Otto et al. beschreibt, dass wenn in der untersuchten Zusammensetzung bereits bekannt ist, dass zwei Komponenten auch in zweiphasigen Systemen Mischkristalle bilden, so steigt die Wahrscheinlichkeit, dass auch in Mehrkomponentensystemen sich Mischkristalle bilden.

Beide thermodynamischen Parameter können zu dem neuen Parameter ${\displaystyle \Omega }$ zusammengefasst werden.

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

mit ${\displaystyle T_{m}}$ der mittleren Schmelztemperatur aller Legierungselemente. ${\displaystyle \Omega }$ sollte größer oder gleich 1,1 für Mischkristallbildung sein.

Kinetik

Der Atomradius der einzelnen Komponenten sollte annähernd gleich sein, damit sich Mischkristalle bilden. Zhang et al. haben dafür einen neuen Parameter ${\displaystyle \delta }$ eingeführt, um die Atomradiendifferenz auszudrücken.

${\displaystyle \delta ={\sqrt {\sum _{i=1}^{N}c_{i}{\Bigl (}1-{\frac {r_{i}}{\bar {r}}}{\Bigr )}^{2}}}}$

mit ${\displaystyle r_{i}}$ dem Atomradius des Elements i und ${\displaystyle {\bar {r}}=\sum _{i=1}^{N}c_{i}r_{i}}$. Für Mischkristallbildung sollte ${\displaystyle \delta \leq 6{,}6\,\%}$ betragen. In manchen Legierungen entstehen für ${\displaystyle 4\,\%\leq \delta \leq 6{,}6\,\%}$ intermetallische Phasen.

Andere Eigenschaften

Um Abzuschätzen, ob die Kristallstruktur kubisch flächenzentriert (kfz) oder kubisch raumzentriert (krz) ausgeprägt ist, kann die Valenzelektronenkonzentration (VEC) betrachtet werden. Eine mittlere Valenzelektronenkonzentration ≥ 8 wird ein kubisch flächenzentriertes Kristallgitter bilden, eine mittlere Valenzelektronenkonzentration ≤ 6,87 wird ein kubisch raumzentriertes Kristallgitter bilden. Für Valenzelektronenkonzentrationen dazwischen werden sowohl kfz als auch krz Kristallgitter entstehen. In Chrom- und Vanadium-haltigen Hoch-Entropie Legierungen kann die Valenzelektronenkonzentrationen auch zur Vorhersage der spröden σ-Phase angewandt werden.

Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften der Hoch-Entropie Legierungen hängen stark von der gebildeten Kristallstruktur ab. So besitzen Hoch-Entropie Legierungen mit einem kubisch raumzentrierten Kristallgitter häufig eine hohe Streckgrenze und eine geringe Bruchdehnung (z. B. Al_7,5Cr_22,5Fe₃₅Mn₂₀Ni₁₅), während es bei Hoch-Entropie Legierungen mit kubisch flächenzentrierten Kristallgitter genau andersherum ausgeprägt ist (z. B. CoCrMnNiFe).

CoCrMnNiFe besitzt neben der hohen Bruchdehnung auch sehr gute mechanische Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen. Beim Abkühlen von Raumtemperatur auf 77 K (−196,15 °C) steigt die Streckgrenze und die Bruchdehnung an. Dies ist auf die Bildung von Zwillingen im Nanometerbereich zurückzuführen, ein Mechanismus, der nicht bei hohen Temperaturen auftritt. Ein möglicher Anwendungsfall könnte der Einsatz als Konstruktionswerkstoff bei niedrigen Temperaturen sein. Auf Grund der hohen Festigkeit ist auch der Einsatz als Energieabsorptionswerkstoff vorstellbar. Allerdings haben Forschungen ergeben, dass diese Funktionen auch mit konventionellen Werkstoffen zu erreichen sind. Bei der Prüfung bis 77 K von kubisch raumzentrierten AlCoCrNiFe im Kerbschlagbiegeversuch konnte Übergang vom Verformungs- zum Sprödbruch beobachtet werden.

Al_0,5CoCrCuNiFe (kubisch flächenzentriertes Kristallgitter) zeigt in Ermüdungsversuchen eine hohe Lebensdauer und eine hohe Dauerfestigkeit. Allerdings hatten sich während der Probenherstellung Aluminiumoxidpartikel und Mikrorisse gebildet, wodurch die Ergebnisse eine starke Streuung aufweisen.

Die einphasige, nanokristalline Legierung Al₂₀Li₂₀Mg₁₀Sc₂₀Ti₃₀ besitzt eine Mikrohärte von 4,9 – 5,8 GPa bei einer Dichte von 2,67 g/cm³, womit es eine Alternative zu Keramiken (z. B. SiC) darstellt. Jedoch sind die hohen Kosten für Scandium der limitierende Einsatzfaktor.

VNbMoTaW (kubisch raumzentriertes Kristallgitter) besitzt hohe Zugfestigkeiten auch noch bei sehr hohen Temperaturen (Zugfestigkeit von ca. 650 MPa bei 1400 °C), wodurch es sich für Anwendungen in der Feuerfestindustrie eignet. Jedoch ist der Werkstoff bei Raumtemperatur sehr spröde und besitzt eine hohe Dichte. Zu den Kriecheigenschaften gibt es noch keine Veröffentlichungen.

Durch das Einbringen von Oxiden als sogenannten „ordered oxygen complexes“ in z. B. Titan- oder Zirkoniumlegierungen können Werkstoffe mit hohen Verfestigungs- und gleichzeitig guten Duktilitätseigenschaften erzielt werden.

Elektrische und magnetische Eigenschaften

CoCrCuNiFe (kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur) besitzt paramagnetische Eigenschaften. Durch Zugabe von Titan ändert sich die Kristallstruktur und es liegen neben dem kubisch flächenzentrierten Kristallgitter amorphe Bereiche und Partikel der Laves-Phase im Nanometerbereich vor. Die Eigenschaften der Legierung ändern sich zu superparamagnetisch.

BiFeCoNiMn besitzt eine hohe magnetische Koerzitivität. TaNbHfZrTi ist ein Supraleiter mit einer Sprungtemperatur zwischen 5 und 7,3 K.

Weitere Eigenschaften

Das Hochtemperaturoxidationsverhalten von Hoch-Entropie Legierungen wurde bisher nur wenig untersucht. Es zeigt sich aber, dass sich höhere Aluminium- und Chromgehalte und niedrigere Eisengehalte positiv auf das Verhalten auswirken.

Das Korrosionsverhalten in Schwefelsäure oder Natriumchlorid-Lösung ist vergleichbar zu dem von rostfreien Stählen.