Nieuw vinden, goedkope manieren om betere metaallegeringen en composieten te maken, is een van de heilige gralen van de wereld van materiaalonderzoek. Wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) van het Amerikaanse Department of Energy vinden veel succes met het gebruik van vaste-faseverwerkingsmethoden om materialen met verbeterde eigenschappen te creëren. Om te begrijpen wat er gebeurt en waarom, ze turen helemaal naar het atomaire niveau van de microstructuren van de materialen. Een recente studie is deze maand gepubliceerd in Communications Materials.

Door de geschiedenis heen, uit de bronstijd, tot de ijzertijd, naar de moderne tijd, de kunst van het mogelijke bij de productie van metalen is grotendeels beperkt gebleven tot processen waarbij het metaal eerst wordt gesmolten en vervolgens wordt onderworpen aan een aantal energie-intensieve stappen om legeringen te produceren en, uiteindelijk, nuttige producten. Op smelt gebaseerde verwerkingsbenaderingen zijn zeer succesvol geweest, maar ze zijn beperkt in de soorten metaallegeringen en composieten die kunnen worden gemaakt en de eigenschappen die kunnen worden bereikt.

Bij verwerking in vaste fase, metalen worden niet gesmolten maar onderworpen aan een mechanische schuifkracht. Dit mengt de metalen om legeringen of composieten te maken, om de materiaaleigenschappen plaatselijk te wijzigen, of om lassen tussen twee materialen te maken. Afschuiving houdt in dat er druk wordt uitgeoefend terwijl metalen of materialen tegen elkaar worden geschoven. Dit creëert wrijving - en dus warmte - om de materialen te combineren en te transformeren.

Deze studie richtte zich op een lichtgewicht aluminium-siliciumlegering die veel wordt gebruikt in de verdediging, ruimtevaart, en auto-industrie. Het team gebruikte schuifkracht om de legering op nanoniveau te herstructureren. De verdeling van het silicium is veranderd op atomair niveau, waardoor de microstructuur veel robuuster is dan identieke materialen die conventioneel worden geproduceerd, " volgens PNNL materiaalwetenschapper Arun Devaraj.

"We hebben geanalyseerd hoe dwarskracht een hiërarchische nanostructuur introduceert, "zei Devaraj. "Compressietests toonden aan dat de nanostructuur die met afschuiving werd gecreëerd bijna twee keer zo sterk was als de microstructuur van dezelfde legering gevormd door gieten." Devaraj en zijn team creëerden micropilaren uit de gegoten legering voor en na afschuiving en maten de hoeveelheid kracht die nodig is om elke groep samen te drukken.

In het huwelijk van een aluminium-siliciumlegering, aluminium is het zachte, gevoelige. Silicium is broos en hard, met de neiging om te breken. Voorafgaand aan het experiment, de siliciumdeeltjes van gegoten legering waren klein - gemiddeld ongeveer 10 micron - en verdeeld in en tussen de veel grotere aluminiumkorrels.

Met behulp van atoomsondetomografie en elektronenmicroscopie bij EMSL - het Environmental Molecular Sciences Laboratory, een DOE Office of Science User Facility bij PNNL - het team observeerde hoe de schuifkracht de microstructuur van de legering verandert. De siliciumdeeltjes braken in steeds kleinere stukjes totdat ze bijna in het aluminium waren opgelost. De aluminiumkorrels werden veel kleiner. Zowel de aluminium- als de siliciumfase vertoonden een verhoogde vermenging als gevolg van afschuifvervorming.

Het begrijpen van de invloed van extreme afschuifvervorming op de microstructuur van een metaallegering is cruciaal voor het optimaliseren van nieuwe verwerkingsmethoden voor vaste-fasematerialen. Het is ook nuttige kennis op het gebied van tribologie, die zich bezighoudt met de interacties tussen twee oppervlakken die relatief met elkaar in beweging zijn, zoals kogellagers en andere uitrustingen die bij het transport worden gebruikt.

PNNL's Solid Phase Processing Science Initiative, een laboratoriuminvestering, financierde dit onderzoek als onderdeel van zijn inspanningen om het fundamentele begrip van de syntheseroutes van vaste-fasematerialen te bevorderen en om de fabricage mogelijk te maken van materialen en componenten van de volgende generatie die een verschil kunnen maken in meerdere industrieën, inclusief ruimtevaart, vervoer, energie, en metaalrecycling.