Met behulp van computersimulatie, Alberto Ferrari berekende een ontwerpvoorstel voor een legering met vormgeheugen die zelfs bij hoge temperaturen lang zijn efficiëntie behoudt. Alexander Paulsen vervaardigde het en bevestigde de voorspelling experimenteel. De legering van titanium, tantaal en scandium is meer dan alleen een nieuwe legering met vormgeheugen voor hoge temperaturen. Liever, het onderzoeksteam van het Interdisciplinary Center for Advanced Materials Simulation (Icams) en het Institute for Materials van de Ruhr-Universität Bochum (RUB) heeft ook aangetoond hoe theoretische voorspellingen kunnen worden gebruikt om sneller nieuwe materialen te produceren. De groep publiceerde haar rapport in het tijdschrift Fysiek beoordelingsmateriaal vanaf 21 oktober 2019. Hun werk werd tentoongesteld als suggestie van een redacteur.

De ongewenste fase vermijden

Legeringen met vormgeheugen kunnen hun oorspronkelijke vorm herstellen na vervorming wanneer de temperatuur verandert. Dit fenomeen is gebaseerd op een transformatie van het kristalrooster waarin de atomen van de metalen zijn gerangschikt. Onderzoekers verwijzen naar is als fasetransformatie. “Naast de gewenste fasen, er zijn ook andere die het vormgeheugeneffect permanent en aanzienlijk verzwakken of zelfs volledig vernietigen, " legt Dr. Jan Frenzel van het Instituut voor Materialen uit. De zogenaamde omega-fase vindt plaats bij een bepaalde temperatuur, afhankelijk van de samenstelling van het materiaal. Daten, veel legeringen met vormgeheugen voor het hoge temperatuurbereik zijn bestand tegen slechts een paar vervormingen voordat ze onbruikbaar worden zodra de omega-fase ingaat.

Veelbelovende legeringen met vormgeheugen voor toepassingen bij hoge temperaturen zijn gebaseerd op een mengsel van titanium en tantaal. Door de verhoudingen van deze metalen in de legering te veranderen, onderzoekers kunnen bepalen bij welke temperatuur de omega-fase optreedt. "Echter, terwijl we deze temperatuur naar boven kunnen verplaatsen, de temperatuur van de gewenste fasetransformatie wordt helaas verlaagd in het proces, ’ zegt Jan Frenzel.

Bijmenging verandert eigenschappen

De RUB-onderzoekers probeerden de mechanismen van het begin van de omega-fase in detail te begrijpen, om manieren te vinden om de prestaties van legeringen met vormgeheugen voor het hoge temperatuurbereik te verbeteren. Hiertoe, Alberto Ferrari, doctoraat onderzoeker bij Icams, berekende de stabiliteit van de respectieve fasen als functie van de temperatuur voor verschillende samenstellingen van titanium en tantaal. "Hij was in staat om het te gebruiken om de resultaten van experimenten te bevestigen, " wijst Dr. Jutta Rogal van Icams aan.

In de volgende stap, Alberto Ferrari simuleerde kleine hoeveelheden derde elementen die werden toegevoegd aan de vormgeheugenlegering van titanium en tantaal. Hij selecteerde de kandidaten op basis van specifieke criteria, ze moeten bijvoorbeeld zo niet-toxisch mogelijk zijn. Gebleken is dat een bijmenging van enkele procenten scandium ertoe zou moeten leiden dat de legering ook bij hoge temperaturen lang blijft functioneren. "Ook al behoort scandium tot de zeldzame aarden en is, bijgevolg, duur, we hebben er maar heel weinig van nodig, daarom is het toch de moeite waard om te gebruiken, ", legt Jan Frenzel uit.

Voorspelling is nauwkeurig

Alexander Paulsen produceerde vervolgens de door Alberto Ferrari berekende legering van het Institute for Materials en testte de eigenschappen ervan in een experiment:de resultaten bevestigden de berekeningen. Een microscopisch onderzoek van de monsters wees later uit dat zelfs na vele vervormingen geen omega-fase werd gevonden in het kristalrooster van de legering. "Zo hebben we onze basiskennis van legeringen met vormgeheugen op basis van titanium uitgebreid en mogelijke nieuwe legeringen met vormgeheugen voor hoge temperaturen ontwikkeld, " zegt Jan Frenzel. "Bovendien, het is geweldig dat de voorspellingen van computersimulaties zo nauwkeurig zijn." Omdat de productie van dergelijke legeringen erg complex is, de implementatie van computerondersteunde ontwerpvoorstellen voor nieuwe materialen belooft veel sneller succes.