aluminiumlegeringen hebben unieke materiaaleigenschappen en zijn onmisbare materialen in de vliegtuigbouw en ruimtetechnologie. Met behulp van hoge resolutie elektronentomografie, onderzoekers van de TU Graz hebben voor het eerst mechanismen gedecodeerd die cruciaal zijn voor het begrijpen van deze eigenschappen. De onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in Natuurmaterialen .

Nanostructuren verantwoordelijk voor materiaalkwaliteit

Legeringselementen zoals scandium en zirkoon worden toegevoegd aan de aluminiummatrix om de sterkte te verbeteren, corrosieweerstand en lasbaarheid van aluminiumlegeringen. Na verdere behandeling, zogenaamde nanoprecipitaten, worden gevormd. Dit zijn kleine ronde deeltjes van slechts enkele nanometers groot. hun vorm, atomaire structuur en de 'strijd' van de scandium- en zirkoonatomen om de 'beste plek' in het kristalrooster zijn bepalend voor de eigenschappen en bruikbaarheid van het materiaal.

De onderzoekers analyseerden deze structuren met behulp van de Oostenrijkse Scanning Transmission Electron Microscope (ASTEM) van het Graz Center for Electron Microscopy (ZFE). Het apparaat kan elementafbeeldingen met hoge resolutie van driedimensionale structuren produceren. "De tomografische analyse leverde een beeld op dat, verrassend genoeg, kon niet worden geïnterpreteerd volgens het eerdere kennisniveau, " zei Gerald Kothleitner, hoofd van de werkgroep voor analytische transmissie-elektronenmicroscopie aan het Instituut voor Elektronenmicroscopie en Nanoanalyse van de TU Graz. "We ontdekten anomalieën in de gegenereerde kern-schaalstructuren. Aan de ene kant, we vonden grotere hoeveelheden aluminium in de nanoprecipitaten dan we hadden aangenomen. Anderzijds, we ontdekten een met zirkoon verrijkte kern en grenszones tussen de kern en de schaal met een bijna perfecte samenstelling en kristalstructuur."

Kwantummechanica en Monte Carlo-methoden bieden antwoorden

Om dit fenomeen van zelforganisatie op te sporen, onderzoekers van het Institute of Electron Microscopy and Nanoanalysis (FELMI) en het Institute of Materials Science, Joining and Forming (IMAT) viel terug op kwantummechanische berekeningen en simulaties. Ze ontdekten dat het systeem zichzelf scheidt en atomair nauwe kanalen vormt waarin de vreemde atomen kunnen diffunderen. Atomen die elkaar tegenkomen blokkeren deze kanalen en stabiliseren het systeem. Promovendus Angelina Orthacker geeft een grafische toelichting op de beweging van de atomen:"Het diffusieproces is te vergelijken met de vorming van een noodcorridor in een stedelijk gebied met veel verkeer. Het verkeer weet zich in een fractie van een seconde te organiseren om de vrije doorstroming van hulpverleningsvoertuigen. Maar er zijn maar een paar individuele voertuigen nodig om de noodgang te blokkeren, waardoor het niet meer werkt." En dit is precies hetzelfde gedrag in het interieur van aluminiumlegeringen. "Noodgangen" bevorderen het materiaaltransport van scandium- en zirkoonatomen en zelfs lichte verstoringen stoppen deze transportreactie. Het onderzoeksteam veronderstelt dat de nieuwe bevindingen over deze diffusieprocessen spelen ook een rol bij andere meercomponentenlegeringen, waarvan de eigenschappen nu nog meer kunnen worden aangepast.