Materiaalwetenschappers van de Ruhr-Universität Bochum kunnen binnen enkele dagen bepalen of een nieuw materiaal stabiel blijft onder temperatuurbelasting. Ze hebben een nieuw proces ontwikkeld voor het analyseren, bijvoorbeeld, de temperatuur- en oxidatieweerstand van complexe legeringen die uit een aantal verschillende elementen bestaan. Eerder, zulke analyses namen vroeger maanden in beslag. Het team onder leiding van Prof. Dr. Alfred Ludwig en Dr. Yujiao Li van het Institute for Materials and Center for Interface-Dominated High Performance Materials beschrijft het proces in het tijdschrift Materialen Horizons .

Deze methode is bij uitstek geschikt voor zogenaamde hoge-entropielegeringen, materialen die recentelijk zeer interessant zijn voor onderzoekers. In tegenstelling tot traditionele legeringen, ze bestaan ​​niet uit één hoofdelement en meerdere aanvullende elementen in lagere concentraties, maar eerder van een homogeen mengsel van verschillende elementen.

"Deze legeringen vormen een nieuwe bron voor nieuwe materialen. Met een bijna onbeperkt aantal verschillende materiaalcombinaties, de kans is groot dat er materialen worden ontdekt die de huidige materialen overtreffen wat betreft bepaalde eigenschappen, ", zegt Ludwig. Doorslaggevend is dat de legeringen stabiel blijven en niet uiteenvallen in afzonderlijke componenten, zelfs als ze tijdens het aanbrengen worden blootgesteld aan thermische of chemische stress. "Daarom is deze methode zo belangrijk, "voegt Ludwig toe. "Het kan worden gebruikt om potentiële kandidaten in korte tijd op atomaire schaal te testen."

Combinatie van methoden is de sleutel

Voorafgaand aan inzet in industriële toepassingen, elk nieuw ontwikkeld materiaal moet worden getest met betrekking tot verschillende parameters, bijvoorbeeld de temperatuurbestendigheid en oxidatiegevoeligheid. Om deze tests te versnellen, de groepen uit Bochum hebben een combinatie van meerdere methoden ontwikkeld.

Ze brachten de complexe legering als een laag met een dikte van slechts enkele nanometers aan op 36 microscopisch kleine puntjes. Voor dit doeleinde, ze gebruikten de sputterdepositiemethode om tegelijkertijd een specifieke mengverhouding van vijf metalen op de tips af te zetten. In de aldus aangebrachte lagen, de metalen kunnen zeer snel met elkaar reageren. De auteurs noemen het systeem combinatorisch verwerkingsplatform.

Vervolgens, de onderzoekers stelden de afzonderlijke tips bloot aan verschillende soorten stress en gebruikten Atom Probe Tomography om de samenstelling van de laag na elke blootstelling aan stress te karakteriseren. De technologie maakt zowel een driedimensionale visualisatie van miljoenen atomen als het onderscheid tussen verschillende elementen mogelijk.

Atom Probe Tomography vernietigt het monster op de plek waar het werd getest; bijgevolg, per meting wordt ten minste één gecoate tip opgebruikt. Echter, aangezien ze 36 identieke tips tot hun beschikking hadden, de onderzoekers konden veel tests kort achter elkaar uitvoeren.

Optie om te testen op verschillende eigenschappen

In de eerste stap, bijvoorbeeld, ze brachten warmte aan het monster toe totdat het een bepaalde temperatuur bereikte; vervolgens gebruikten ze de atoomsonde om te testen welk effect thermische spanning op de legering had, nogmaals warmte toegevoerd om een ​​hogere temperatuur te bereiken, testte de legering opnieuw enz. "Met deze methode, we kunnen heel snel zien dat de geanalyseerde legering uiteenvalt in verschillende fasen bij temperaturen boven 300 graden Celsius, " zegt Ludwig. "Bovendien, we zijn in staat om de oxidatiegevoeligheid en reacties in verschillende omgevingsmedia te onderzoeken." Op basis van de uitgebreide meetgegevens en nieuwe visualisatiemethoden voor deze gegevens, zo krijgen de onderzoekers in veel kortere tijd inzicht in de fase-evolutie in complexe legeringen dan met traditionele methoden.