Compositional design of refractory high-entropy alloys

Refractory high-entropy alloys (RHEAs) represent a promising class of metallic materials for high-temperature applications, thanks to their exceptional thermal stability and mechanical performances. However, their industrial uptake is hindered by several drawbacks such as their high density, limited ductility at room temperature, and processing complexity. This doctoral research addresses these issues through a comprehensive approach that combines data-driven compositional design with experimental alloy development. Initially, a database of 265 RHEAs was compiled collecting available literature data and it was used to critically assess the empirical criteria that have been proposed so far for the prediction of solid solution stability. New compositional design guidelines were proposed to improve the reliability of phase stability criteria. From these insights, novel lightweight RHEAs belonging to the Al-Mo-Nb-Ti-V-Zr system were developed to investigate the balance between density, phase stability, and mechanical performance. The effects of Al and Nb content on microstructure and mechanical properties at both room temperature and high temperature were investigated in detail. Furthermore, advanced processing routes such as laser powder bed fusion (LPBF) and spark plasma sintering (SPS) were explored to overcome the limitations of traditional casting. LPBF was optimized using boron-induced grain refinement to reduce cracking susceptibility, highlighting the importance of microstructural engineering in improving the processability of RHEAs. SPS was employed to produce a compositionally graded component, a powerful strategy to perform a high-throughput exploration of unexplored RHEAs compositions.

Le leghe refrattarie ad alta entropia (RHEA) sono una nuova classe di materiali metallici che, grazie alla loro eccezionale stabilità termica e alle ottime proprietà meccaniche, promettono nuove applicazioni ad alta temperatura. Tuttavia, il loro sviluppo su scala industriale è ostacolato da diversi limiti, tra cui l’elevata densità, la scarsa duttilità a temperatura ambiente e la complessità dei processi di fabbricazione. Questa ricerca di dottorato affronta tali problematiche attraverso un approccio che combina la progettazione composizionale con lo sviluppo sperimentale di nuove leghe. In una prima fase è stato costruito un database contenente i dati disponibili in letteratura di 265 RHEA, poi utilizzato per valutare criticamente i criteri empirici finora proposti per la previsione della stabilità della soluzione solida. Sulla base di questa analisi, sono state proposte nuove linee guida per migliorare l’affidabilità dei criteri predittivi della stabilità di fase. A partire da queste indicazioni, sono state sviluppate nuove leghe refrattarie leggere appartenenti al sistema Al-Mo-Nb-Ti-V-Zr, con l’obiettivo ottenere un bilanciamento tra densità, stabilità di fase e prestazioni meccaniche. Gli effetti del contenuto di Al e Nb sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche, sia a temperatura ambiente che ad alta temperatura, sono stati analizzati in dettaglio. Infine, sono stati esplorati metodi produttivi avanzati, come laser powder bed fusion (LPBF) e spark plasma sintering (SPS), al fine di superare le limitazioni dei processi di colata. Il processo LPBF è stato ottimizzato tramite affinamento dei grani indotto dal B, riducendo la suscettibilità alla formazione di cricche e mettendo in evidenza l'importanza dell’ingegneria microstrutturale nel migliorare la lavorabilità delle RHEA. La tecnologia SPS è stata invece impiegata per produrre un componente con un gradiente composizionale, una strategia efficace per esplorare in modo rapido nuove composizioni ancora di RHEA ancora inesplorate.