Een onderzoeksteam onder leiding van de City University of Hong Kong (CityU) heeft een strategie ontwikkeld voor het creëren van nieuwe zeer sterke legeringen die extreem sterk zijn, taai en flexibel. De strategie overwint de kritieke problemen van het dilemma tussen sterkte en ductiliteit, de weg vrijmaken voor innovatieve constructiematerialen in de toekomst.

Legeringen met meerdere hoofdelementen, algemeen aangeduid als legeringen met hoge entropie (HEA's), zijn een nieuw type materiaal dat is geconstrueerd met gelijke of bijna gelijke hoeveelheden van vijf of meer metalen. Ze staan ​​momenteel in het middelpunt van de belangstelling in materiaalkunde en engineering vanwege hun potentiële structurele toepassingen. Toch hebben de meeste legeringen hetzelfde nadelige kenmerk:hoe hoger de sterkte van de legering, hoe minder taaiheid en taaiheid, wat betekent dat sterke legeringen minder vervormbaar of rekbaar zijn zonder breuk.

Onlangs, echter, een onderzoek onder leiding van professor Liu Chain Tsuan, Universitair Distinguished Professor van de afdeling Materials Science and Engineering aan CityU, heeft een baanbrekende oplossing gevonden voor dit ontmoedigende decennialange dilemma:het maken van legeringen met hoge entropie door massale precipitatie van deeltjes op nanoschaal. Dit baanbrekende onderzoek is zojuist gepubliceerd in het laatste nummer van het prestigieuze tijdschrift Wetenschap , getiteld "Multicomponent intermetallische nanodeeltjes en uitstekende mechanische gedragingen van complexe legeringen."

De afweging tussen sterkte en ductiliteit oplossen

"We zijn in staat om een ​​nieuwe legering met hoge entropie te maken genaamd Al ₇ Ti ₇ ((FeCoNi) ₈₆ -Ali ₇ Ti ₇ ) met een superieure sterkte van 1,5 gigapascal en een ductiliteit van wel 50 procent onder spanning bij omgevingstemperatuur. Versterkt door nanodeeltjes, deze nieuwe legering is vijf keer sterker dan die van de op ijzer-kobalt-nikkel (FeCoNi) gebaseerde legering, " zegt professor Liu.

"De meeste conventionele legeringen bevatten een of twee belangrijke elementen, zoals nikkel en ijzer om te vervaardigen, " legt hij uit. "Echter, door extra elementen van aluminium en titanium toe te voegen om enorme precipitaten te vormen in de op FeCoNi gebaseerde legering, we hebben geconstateerd dat zowel de sterkte als de ductiliteit aanzienlijk zijn toegenomen, het oplossen van het kritieke probleem van het afwegingsdilemma voor structurele materialen."

Bovendien, legeringen met hoge sterkte hebben meestal te maken met instabiliteit van plastische vervorming, bekend als het nekprobleem, wat betekent dat wanneer de legering onder een hoge sterkte is, de vervorming ervan zou onstabiel worden en zeer gemakkelijk leiden tot nekbreuk (plaatselijke vervorming) met een zeer beperkte uniforme rek. Maar het team heeft verder ontdekt dat door het toevoegen van multicomponent intermetallische nanodeeltjes, die complexe nanodeeltjes zijn gemaakt van verschillende elementen, het kan de legering uniform versterken door de misvormingsinstabiliteit te verbeteren.

Het "nekprobleem" aanpakken

En ze hebben de ideale formule gevonden voor deze complexe nanodeeltjes, die bestaat uit nikkel, kobalt, ijzer, titanium- en aluminiumatomen. Professor Liu legt uit dat elk nanodeeltje 30 tot 50 nanometer meet. De ijzer- en kobaltatomen die sommige van de nikkelcomponenten vervangen, helpen de valentie-elektronendichtheid te verminderen en de taaiheid van de nieuwe legering te verbeteren. Anderzijds, het vervangen van een deel van het aluminium door titanium vermindert grotendeels de impact van vocht in de lucht om veroorzaakte brosheid in deze nieuwe sterke legering te voorkomen.

"Dit onderzoek opent een nieuwe ontwerpstrategie om superlegeringen te ontwikkelen, door multicomponent-nanodeeltjes te ontwerpen om complexe legeringen te versterken om uitstekende mechanische eigenschappen bij kamertemperatuur en verhoogde temperaturen te bereiken, " zegt professor Liu.

Hij gelooft dat de nieuwe legeringen die met deze nieuwe strategie zijn ontwikkeld, goed zullen presteren bij temperaturen van -200°C tot 1000°C. Daardoor kunnen ze een goede basis vormen om verder te ontwikkelen voor structureel gebruik in cryogene apparaten, vliegtuigen en luchtvaartsystemen en daarbuiten.