Wetenschap
Onderzoekers ontdekken een kinky metaallegering die niet zal barsten bij extreme temperaturen op atomair niveau
Een metaallegering bestaande uit niobium, tantaal, titanium en hafnium heeft materiaalwetenschappers geschokt met zijn indrukwekkende sterkte en taaiheid bij zowel extreem warme als koude temperaturen, een combinatie van eigenschappen die tot nu toe vrijwel onmogelijk leken te bereiken.
In deze context wordt sterkte gedefinieerd als de hoeveelheid kracht die een materiaal kan weerstaan voordat het permanent wordt vervormd ten opzichte van zijn oorspronkelijke vorm, en taaiheid is de weerstand tegen breuken (scheuren). De veerkracht van de legering tegen buigen en breken onder een enorm scala aan omstandigheden zou de deur kunnen openen voor een nieuwe klasse materialen voor motoren van de volgende generatie die met een hoger rendement kunnen werken.
Het team, onder leiding van Robert Ritchie van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en UC Berkeley, ontdekte in samenwerking met de groepen onder leiding van professoren Diran Apelian van UC Irvine en Enrique Lavernia van de Texas A&M University de verrassende eigenschappen van de legering en ontdekte vervolgens hoe ze voortkomen uit interacties in de atomaire structuur. Hun werk wordt beschreven in een onderzoek dat is gepubliceerd in Science .
"De efficiëntie van het omzetten van warmte in elektriciteit of stuwkracht wordt bepaald door de temperatuur waarbij brandstof wordt verbrand:hoe heter, hoe beter. De bedrijfstemperatuur wordt echter beperkt door de structurele materialen die er bestand tegen moeten zijn", zegt eerste auteur David Cook. een Ph.D. student in het laboratorium van Ritchie. "We hebben het vermogen uitgeput om de materialen die we momenteel gebruiken bij hoge temperaturen verder te optimaliseren, en er is een grote behoefte aan nieuwe metallische materialen. Dat is waar deze legering veelbelovend in is."
De legering in dit onderzoek is afkomstig van een nieuwe klasse metalen die bekend staat als vuurvaste legeringen met hoge of gemiddelde entropie (RHEA's/RMEA's). De meeste metalen die we in commerciële of industriële toepassingen zien, zijn legeringen gemaakt van één hoofdmetaal gemengd met kleine hoeveelheden andere elementen, maar RHEA's en RMEA's worden gemaakt door vrijwel gelijke hoeveelheden metalen elementen te mengen met zeer hoge smelttemperaturen, waardoor ze unieke eigenschappen die wetenschappers nog steeds aan het ontrafelen zijn.
De groep van Ritchie doet al enkele jaren onderzoek naar deze legeringen vanwege hun potentieel voor toepassingen bij hoge temperaturen.
"Ons team heeft eerder werk gedaan aan RHEA's en RMEA's, en we hebben ontdekt dat deze materialen erg sterk zijn, maar over het algemeen een extreem lage breuktaaiheid bezitten. Daarom waren we geschokt toen deze legering een uitzonderlijk hoge taaiheid vertoonde", aldus mede-corresponderende auteur Punit Kumar, een postdoctoraal onderzoeker in de groep.
Volgens Cook hebben de meeste RMEA's een breuktaaiheid van minder dan 10 MPa√m, waardoor ze tot de meest brosse metalen ooit behoren. De beste cryogene staalsoorten, speciaal ontworpen om breukvastheid te weerstaan, zijn ongeveer 20 keer sterker dan deze materialen. Toch zijn niobium, tantaal, titanium en hafnium (Nb45 Ta25 Ti15 Hf15 ) De RMEA-legering kon zelfs het cryogene staal verslaan en was bij kamertemperatuur ruim 25 keer sterker dan typische RMEA's.
Maar motoren werken niet bij kamertemperatuur. De wetenschappers evalueerden de sterkte en taaiheid bij vijf temperaturen in totaal:-196°C (de temperatuur van vloeibare stikstof), 25°C (kamertemperatuur), 800°C, 950°C en 1200°C. De laatste temperatuur is ongeveer 1/5 van de oppervlaktetemperatuur van de zon.
Het team ontdekte dat de legering de hoogste sterkte had in de kou en iets zwakker werd naarmate de temperatuur steeg, maar toch over het hele brede bereik indrukwekkende cijfers opleverde. De breuktaaiheid, die wordt berekend op basis van de hoeveelheid kracht die nodig is om een bestaande scheur in een materiaal voort te planten, was bij alle temperaturen hoog.
De atomaire arrangementen ontrafelen
Bijna alle metaallegeringen zijn kristallijn, wat betekent dat de atomen in het materiaal in herhalende eenheden zijn gerangschikt. Geen enkel kristal is echter perfect; ze bevatten allemaal gebreken. Het meest prominente defect dat beweegt, wordt de dislocatie genoemd, een onafgewerkt vlak van atomen in het kristal. Wanneer kracht wordt uitgeoefend op een metaal, zorgt dit ervoor dat veel dislocaties bewegen om de vormverandering op te vangen.
Wanneer u bijvoorbeeld een paperclip buigt die van aluminium is gemaakt, zorgt de beweging van de dislocaties in de paperclip voor de vormverandering. De beweging van dislocaties wordt echter moeilijker bij lagere temperaturen, en als gevolg daarvan worden veel materialen bij lage temperaturen bros omdat dislocaties niet kunnen bewegen. Dit is de reden waarom de stalen romp van de Titanic brak toen deze op een ijsberg botste.
Elementen met hoge smelttemperaturen en hun legeringen gaan hierin tot het uiterste, waarbij veel elementen bros blijven tot zelfs 800°C. Deze RMEA gaat echter tegen de trend in en weerstaat zelfs bij temperaturen zo laag als vloeibare stikstof (-196°C).
Om te begrijpen wat er in het opmerkelijke metaal gebeurde, analyseerden mede-onderzoeker Andrew Minor en zijn team de gespannen monsters naast de ongebogen en ongescheurde controlemonsters, met behulp van vierdimensionale scanning-transmissie-elektronenmicroscopie (4D-STEM) en scanning-transmissie-elektronenmicroscopie (STEM). bij het National Center for Electron Microscopy, onderdeel van de Molecular Foundry van Berkeley Lab.
Uit de gegevens van de elektronenmicroscopie bleek dat de ongebruikelijke taaiheid van de legering voortkomt uit een onverwacht neveneffect van een zeldzaam defect dat een knikband wordt genoemd. Knikbanden ontstaan in een kristal wanneer een uitgeoefende kracht ervoor zorgt dat stroken van het kristal op zichzelf instorten en abrupt buigen.
De richting waarin het kristal in deze stroken buigt, vergroot de kracht die dislocaties voelen, waardoor ze gemakkelijker bewegen. Op bulkniveau zorgt dit fenomeen ervoor dat het materiaal zachter wordt (wat betekent dat er minder kracht op het materiaal hoeft te worden uitgeoefend als het wordt vervormd).
Het team wist uit eerder onderzoek dat knikbanden gemakkelijk gevormd kunnen worden in RMEA's, maar ging ervan uit dat het verzachtende effect het materiaal minder taai zou maken doordat het gemakkelijker zou worden voor een scheur om zich door het rooster te verspreiden. Maar in werkelijkheid is dit niet het geval.
"We laten voor het eerst zien dat knikbanden, in de aanwezigheid van een scherpe scheur tussen atomen, feitelijk de voortplanting van een scheur tegengaan door de schade ervan weg te verspreiden, waardoor breuk wordt voorkomen en dit leidt tot een buitengewoon hoge breuktaaiheid", aldus Cook.
De Nb45 Ta25 Ti15 Hf15 legering zal veel fundamenteler onderzoek en technische tests moeten ondergaan voordat er zoiets als een straalvliegtuigturbine of SpaceX-raketmondstuk van wordt gemaakt, zei Ritchie, omdat werktuigbouwkundigen terecht een diep begrip nodig hebben van hoe hun materialen presteren voordat ze ze gebruiken in de echte wereld. Deze studie geeft echter aan dat het metaal het potentieel heeft om de motoren van de toekomst te bouwen.