Bij het verlijmen van twee stukken metaal, of de metalen moeten een beetje smelten waar ze elkaar ontmoeten of er moet wat gesmolten metaal tussen de stukken worden ingebracht. Er ontstaat dan een vaste binding wanneer het metaal weer stolt. Maar onderzoekers van MIT hebben ontdekt dat in sommige situaties, smelten kan metaalbinding eerder remmen dan bevorderen.

De verrassende en contra-intuïtieve bevinding zou ernstige gevolgen kunnen hebben voor het ontwerp van bepaalde coatingprocessen of voor 3D-printen, die beide vereisen dat materialen aan elkaar blijven plakken en zo blijven.

Het onderzoek, uitgevoerd door postdocs Mostafa Hassani-Gangaraj en David Veysset en professoren Keith Nelson en Christopher Schuh, werd gemeld in twee kranten, in de tijdschriften Fysieke beoordelingsbrieven en Scripta Materialia .

Schuh, die de Danae en Vasilis Salapatas hoogleraar metallurgie en hoofd van de afdeling Materials Science and Engineering is, legt uit dat een van de kranten "een revolutionaire vooruitgang in de technologie" schetst voor het observeren van extreem snelle interacties, terwijl de andere gebruikmaakt van die hogesnelheidsbeeldvorming om te onthullen dat smelten veroorzaakt door botsende metaaldeeltjes de hechting kan belemmeren.

De optische opstelling, met een hogesnelheidscamera die gebruikmaakt van 16 afzonderlijke CCD-beeldvormingschips (CAD) en beelden kan opnemen in slechts 3 nanoseconden, werd voornamelijk ontwikkeld door Veysset. De camera is zo snel dat hij individuele deeltjes kan volgen die met supersonische snelheden op een oppervlak worden gespoten. een prestatie die voorheen niet mogelijk was. Het team gebruikte deze camera, die tot 300 miljoen frames per seconde kan schieten, om een ​​spuitverfachtig proces te observeren dat vergelijkbaar is met het proces dat in veel industrieën wordt gebruikt om een ​​metalen coating op oppervlakken aan te brengen.

Hoewel dergelijke processen veel worden gebruikt, tot nu toe zijn hun kenmerken empirisch bepaald, omdat het proces zelf zo snel is "je kunt het niet zien, je kunt niet zeggen wat er gebeurt, en niemand heeft ooit het moment kunnen zien waarop een deeltje inslaat en blijft plakken, " zegt Schuh. Als gevolg hiervan, er is een voortdurende controverse geweest over de vraag of de metaaldeeltjes daadwerkelijk smelten als ze het te coaten oppervlak raken. De nieuwe technologie betekent dat de onderzoekers nu "kunnen kijken wat er gebeurt, kan het bestuderen, en kan wetenschap doen, " hij zegt.

De nieuwe afbeeldingen maken duidelijk dat onder bepaalde omstandigheden, de metaaldeeltjes die op een oppervlak worden gespoten, smelten het oppervlak echt - en dat, onverwacht, voorkomt dat ze blijven plakken. De onderzoekers ontdekten dat de deeltjes in veel minder tijd wegkaatsen dan het oppervlak nodig heeft om opnieuw te stollen. zodat ze het oppervlak verlaten dat nog steeds gesmolten is.

Als ingenieurs ontdekken dat een coatingmateriaal niet goed hecht, ze kunnen geneigd zijn om de sproeisnelheid of temperatuur te verhogen om de kans op smelten te vergroten. Echter, de nieuwe resultaten laten het tegenovergestelde zien:smelten moet worden vermeden.

Het blijkt dat de beste hechting plaatsvindt wanneer de botsende deeltjes en getroffen oppervlakken in een vaste toestand blijven, maar naar buiten "spatten" op een manier die eruitziet als vloeistof. Het was "een eye-opening observatie, " volgens Schuh. Dat fenomeen "wordt gevonden in een verscheidenheid van deze metaalverwerkingsmethoden, "zegt hij. Nu, het is duidelijk dat "om metaal op metaal te plakken, we moeten een plons maken zonder vloeistof. Een stevige plons plakt, en een vloeibare niet." Met de nieuwe mogelijkheid om het proces te observeren, Hassani-Gangaraj zegt, "door nauwkeurige metingen, we konden de voorwaarden vinden die nodig zijn om die band op te wekken."

De bevindingen kunnen relevant zijn voor processen die worden gebruikt om motoronderdelen te coaten om versleten onderdelen opnieuw te gebruiken in plaats van ze naar de schrootbak te verwijzen. "Met een oude motor van een grote grondverzetmachine, het kost een fortuin om het weg te gooien, en het kost een fortuin om het te smelten en opnieuw te gieten, " zegt Schuh. "In plaats daarvan, je kunt het eraf halen en een spuitproces gebruiken om het oppervlak te vernieuwen." Maar dat vereist dat de gespoten coating goed gehecht blijft.

Naast coatings, de nieuwe informatie zou ook kunnen helpen bij het ontwerp van sommige op metaal gebaseerde additieve fabricagesystemen, bekend als 3D-printen. Daar, zoals bij coatings, het is van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat een laag van het afdrukmateriaal stevig hecht aan de vorige laag.

"Wat dit werk belooft, is een nauwkeurige en wiskundige benadering" om de optimale omstandigheden te bepalen om een ​​solide verbinding te verzekeren, zegt Schuh. "Het is eerder wiskundig dan empirisch."