Development and characterisation of high-entropy alloys (HEAs)

Abstract

This doctoral thesis presents a comprehensive investigation into the potential applications of High Entropy Alloys (HEAs) as protective coatings for biomedical implants and as electrocatalysts for water-splitting applications. The research spans five main chapters, each exploring different facets of HEAs, including their microstructure, mechanical properties, electrochemical behavior, biocompatibility, and catalytic performance. Chapter three highlights the deposition of Ti1.5ZrTa0.5Nb0.5Hf0.5 RHEA films on 316L, CoCrMo, and Ti6Al4V substrates, revealing amorphous, compact structures with superior mechanical properties and adhesion, particularly on the Ti6Al4V substrate, and demonstrating enhanced corrosion resistance in PBS solution. Chapter four focuses on different RHEA films on 316L substrates, identifying potential as protective coatings due to improved hardness, tribological performance, and biocorrosion resistance, with biocompatibility confirmed through in vitro tests. Chapter five discusses both undoped and Ag-doped Ti1.5ZrTa0.5Nb0.5W0.5 RHEA films, noting the mechanical and corrosion-resistant benefits of Ag nanoparticle inclusion. Chapter six details the development of antibacterial RHEA films doped with Ag nanoparticles, showing significant antibacterial efficacy against P. Aeruginosa and S. Aureus, and promising biocompatibility with C2C12 myoblast cells. Collectively, these studies underscore the potential of RHEA films as functional coatings for biomedical applications. The seventh chapter explores the preparation of CoCuFeNi-based HEAs through mechanical alloying (MA) and their evaluation as electrocatalysts for water splitting. The results show that CoCuFeNiMnMo1.5 exhibits the best OER performance, while CoCuFeNiMnMo0.5 demonstrates the best HER activity with lower overpotentials and excellent stability. The assembled CoCuFeNiMnMo1.5 (anode)∥CoCuFeNiMnMo0.5 (cathode) couple achieves a current density of 10 mA cm–2 at 1.76 V, with a Faradaic efficiency for generated H2 of more than 80%. In conclusion, this thesis provides valuable insights into the potential of HEAs as protective coatings for metallic biomaterials and as efficient electrocatalysts for water splitting, contributing to the advancement of HEA research and the development of novel materials with enhanced properties for biomedical and energy-related applications.224Bu doktora tezi, Yüksek Entropi Alaşımlarının (HEAs) biyomedikal implantlar için koruyucu kaplamalar ve su ayrıştırma uygulamaları için elektrokatalizörler olarak potansiyel uygulamalarını kapsamlı bir şekilde incelemektedir. Araştırma, HEA'ların mikroyapısı, mekanik özellikleri, elektrokimyasal davranışı, biyouyumluluk ve katalitik performansı dahil olmak üzere farklı yönlerini araştıran beş ana bölümden oluşmaktadır. Üçüncü bölüm, Ti1.5ZrTa0.5Nb0.5Hf0.5 RHEA filmlerinin 316L, CoCrMo ve Ti6Al4V altlıklarına kaplanması üzerine yoğunlaşmakta, amorf ve kompakt yapılar ile özellikle Ti6Al4V altlığında üstün mekanik özellikler ve yapışma göstermekte ve PBS çözeltisinde artırılmış korozyon direnci sergilemektedir. Dördüncü bölüm, 316L altlıklarında farklı RHEA filmlerine odaklanmakta, iyileştirilmiş sertlik, tribolojik performans ve biyokorozyon direnci nedeniyle koruyucu kaplamalar olarak potansiyelini belirlemekte ve biyouyumluluğu in vitro testlerle doğrulamaktadır. Beşinci bölüm, hem saf hem de Ag ile katkılı Ti1.5ZrTa0.5Nb0.5W0.5 RHEA filmlerini tartışmakta, Ag nanopartikül katkısının mekanik ve korozyon direncine olan faydalarını not etmektedir. Altıncı bölüm, Ag nanopartikülleri ile katkılı antibakteriyel RHEA filmlerinin geliştirilmesini detaylandırmakta, P. Aeruginosa ve S. Aureus bakterilerine karşı önemli antibakteriyel etkinlik göstermekte ve C2C12 myoblast hücreleri ile yapılan biyouyumluluk değerlendirmesinde umut verici sonuçlar sunmaktadır. Bu çalışmalar topluca, RHEA filmlerinin biyomedikal uygulamalar için fonksiyonel kaplamalar olarak potansiyelini vurgulamaktadır. Yedinci bölüm, mekanik alaşımlama (MA) yoluyla CoCuFeNi tabanlı HEA'ların hazırlanmasını ve su ayrıştırma için elektrokatalizör olarak değerlendirilmesini araştırmaktadır. Sonuçlar, CoCuFeNiMnMo1.5'ın en iyi OER performansını sergilediğini, CoCuFeNiMnMo0.5'ün ise daha düşük aşırı potansiyellerle ve mükemmel stabilite ile en iyi HER aktivitesini gösterdiğini ortaya koymaktadır. Montajlanmış CoCuFeNiMnMo1.5 (anot)∥CoCuFeNiMnMo0.5 (katot) çifti, 1.76 V'de 10 mA.cm–2'lik bir akım yoğunluğu başarırken, üretilen H2 için Faraday verimliliği %80'den fazla olmaktadır. Sonuç olarak, bu tez, HEA'ların metalik biyomalzemeler için koruyucu kaplamalar ve su ayrıştırma için etkili elektrokatalizörler olarak potansiyelini değerli içgörüler sağlayarak HEA araştırmalarının ilerlemesine ve biyomedikal ve enerji ile ilgili uygulamalar için geliştirilmiş özelliklere sahip yeni malzemelerin geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır.