Onderzoekers hier hebben een ontdekking gedaan in de materiaalkunde die klinkt als iets uit de oude tekenfilm Super Friends op zaterdagochtend:ze hebben een manier gevonden om "nano-tweelingen" te deactiveren om de eigenschappen bij hoge temperaturen van superlegeringen die in straalmotoren worden gebruikt, te verbeteren.

De vooruitgang zou de ontwikkeling van krachtige en milieuvriendelijke turbinemotoren van alle soorten kunnen versnellen, inclusief die welke worden gebruikt voor transport en energieopwekking.

De 'nano-tweelingen' in kwestie zijn microscopisch kleine defecten die in legeringen groeien en ze verzwakken, waardoor ze vervormen onder hitte en druk. In het journaal Natuurcommunicatie , ingenieurs van de Ohio State University beschrijven hoe het aanpassen van de samenstelling van een legering en het vervolgens blootstellen aan hoge hitte en druk niet alleen de vorming van nano-tweelingen kan voorkomen, het kan de legering zelfs sterker maken.

Bij testen, de techniek, die ze "fasetransformatieversterking, " elimineerde de vorming van nano-tweelingen en verminderde legeringsvervorming met de helft.

Sterk, hittebestendige legeringen zorgen ervoor dat turbinemotoren schoon en efficiënt kunnen draaien, legde Michael Mills uit, hoogleraar materiaalkunde en techniek en leider van het project in de staat Ohio. Wanneer een motor bij zeer hoge temperaturen kan draaien, het verbruikt zijn brandstof grondiger en produceert minder uitstoot.

"We ontdekten dat het verhogen van de concentraties van bepaalde elementen in superlegeringen de vorming van vervormingstweelingen bij hoge temperatuur remt, waardoor het vermogen van de legeringen op hoge temperatuur aanzienlijk wordt verbeterd, ' zei Mills.

Tegenwoordig, de meest geavanceerde legeringen zijn op de computer ontworpen - praktisch atoom voor atoom - en het team van Mills ging op zoek naar wat hij een tekort noemde in de "kwantitatieve, uitgebreid begrip" van hoe deze exotische metalen materialen vervormen onder hoge spanning.

De onderzoekers deden de ontdekking toen ze de vorming van nano-twins in twee verschillende commerciële superlegeringen bestudeerden. Ze comprimeerden monsters van de legeringen met duizenden ponden druk bij ongeveer 1, 400 graden Fahrenheit - een temperatuur vergelijkbaar met een draaiende straalmotor - en onderzocht daarna de kristalstructuren van de legeringen met elektronenmicroscopen en modelleerde het kwantummechanische gedrag van de atomen op een computer.

In beide legeringen, de temperatuur en druk zorgden ervoor dat er nano-twin-fouten ontstonden in de superlegeringskristallen. En, in beide legeringen, de materiaalsamenstelling in en rond de breuken veranderde, maar op verschillende manieren.

Door een reeks sprongen op atomaire schaal, sommige elementen - zoals atomen van nikkel en aluminium - diffundeerden weg van de fouten, terwijl anderen zich in de fouten verspreidden. De onderzoekers konden deze fijne bewegingen detecteren met behulp van de geavanceerde elektronenmicroscopen van het Ohio State's Center for Electron Microscopy and Analysis (CEMAS), die een van de grootste concentraties van elektronen- en ionenbundel analytische microscopie-instrumenten biedt in een Noord-Amerikaanse instelling.

"In de eerste legering, die niet zo sterk was bij hoge temperatuur, atomen van kobalt en chroom vulden de fout, " zei Timothy Smith, voormalig student aan de Ohio State en hoofdauteur van de studie. "Dat verzwakte het gebied rond de fout en zorgde ervoor dat het dikker werd en een nano-tweeling werd."

Maar in de tweede legering - die geen nano-tweeling vormde - de elementen titanium, tantaal en niobium hadden de neiging om in plaats daarvan in de fouten te diffunderen. Als resultaat, een nieuwe en zeer stabiele materiaalfase vormde zich precies op de fouten. De nieuwe fase was zo stabiel dat het weerstand bood aan de vorming van nano-tweelingen.

De neiging van bepaalde atomen om in de nano-twin-fouten te diffunderen, hangt af van de algehele samenstelling van de legering, vonden de onderzoekers. "We ontdekten dat wanneer de hoeveelheid titanium, tantaal, en niobium in de legering werd verhoogd, terwijl kobalt en chroom worden verminderd, we zouden de regio rond de breuken daadwerkelijk kunnen versterken en voorkomen dat de breuk zich uitbreidt tot een nano-tweeling, ' zei Smit.

De innovatieve combinatie van de onderzoekers van beeldvorming op atomair niveau en high-end computing is een uniek kenmerk van het onderzoek bij CEMAS, zei David McComb, studie co-auteur en directeur van CEMAS.

"Onderzoek als dit illustreert perfect de kracht van CEMAS om ontdekkingen in nieuwe materialen en processen te stimuleren, " hij voegde toe.

Het team blijft fasetransformatieversterking bestuderen, om te zien of het op verschillende manieren aanpassen van de legeringssamenstellingen het effect zou kunnen versterken.

Smith promoveerde met dit werk, en is nu een onderzoeksmateriaalingenieur bij NASA Glenn Research Center. De co-auteurs van het papier waren Robert Williams, adjunct-directeur van CEMAS; Wolfgang Windl, hoogleraar materiaalkunde en techniek; Hamish Fraser, Ohio Eminent Scholar en hoogleraar materiaalkunde en techniek; en promovendi Bryan Esser en Nikolas Antolin, heel de staat Ohio; Anna Carlsson van FEI/Thermo Fisher Scientific; en Andrew Wessman van GE.