Intermetallische legeringen hebben potentieel een hoge sterkte in een omgeving met hoge temperaturen. Maar ze hebben over het algemeen een slechte ductiliteit bij omgevings- en lage temperaturen, vandaar het beperken van hun toepassingen in de ruimtevaart en andere technische gebieden. Nog, een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de City University of Hong Kong (CityU) heeft onlangs de ongeordende nanoschaallagen aan korrelgrenzen ontdekt in de geordende intermetallische legeringen. De nanolagen kunnen niet alleen het onverenigbare conflict tussen sterkte en ductiliteit effectief oplossen, maar behoudt ook de sterkte van de legering met een uitstekende thermische stabiliteit bij hoge temperaturen. Het ontwerpen van vergelijkbare nanolagen kan een weg openen voor het ontwerp van nieuwe structurele materialen met optimale legeringseigenschappen.

Dit onderzoek werd geleid door professor Liu Chain-tsuan, CityU's University Distinguished Professor en Senior Fellow van het Hong Kong Institute for Advanced Study (HKIAS). De bevindingen zijn zojuist gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Wetenschap , getiteld "Ultrahoge sterkte en ductiele superroosterlegeringen met ongeordende interfaces op nanoschaal."

Net als metalen, de binnenste structuur van intermetallische legeringen is gemaakt van individuele kristallijne gebieden die bekend staan ​​als "korrels". De gebruikelijke brosheid in intermetallische legeringen wordt in het algemeen toegeschreven aan het scheuren langs hun korrelgrenzen tijdens trekvervorming. Het toevoegen van het element borium aan de intermetallische legeringen was een van de traditionele benaderingen om de broosheid te overwinnen. Professor Liu was eigenlijk een van degenen die deze benadering 30 jaar geleden bestudeerden. In die tijd, hij ontdekte dat de toevoeging van boor aan binaire intermetallische legeringen (die twee elementen vormen, zoals Ni ₃ Al) verbetert de cohesie van de korrelgrens, waardoor hun algehele ductiliteit wordt verbeterd.

Een verrassend experimenteel resultaat

In recente jaren, Professor Liu heeft veel grote vooruitgang geboekt bij het ontwikkelen van bulk intermetallische legeringen (intermetallische legering wordt ook wel superroosterlegering genoemd, gebouwd met lange afstand, atomair dichtgepakte geordende structuur). Deze materialen met goede sterktes zijn zeer aantrekkelijk voor structurele toepassingen bij hoge temperaturen, maar lijden over het algemeen aan ernstige broosheid bij omgevingstemperaturen, evenals snelle korrelvergroving (d.w.z. groei in korrelgrootte) en verweking bij hoge temperaturen. Dus deze keer Professor Liu en zijn team hebben de nieuwe "interfacial nanoscale disordering"-strategie ontwikkeld in intermetallische legeringen met meerdere elementen, die de hoge sterkte mogelijk maakt, grote vervormbaarheid bij kamertemperatuur en ook uitstekende thermische stabiliteit bij verhoogde temperaturen.

"Wat we oorspronkelijk probeerden te doen, is de cohesie van de korrelgrens verbeteren door de hoeveelheid boor te optimaliseren, " zei dr. Yang Tao, een postdoc research fellow bij CityU's Department of Mechanical Engineering (MNE) en IAS, die ook een van de co-eerste auteurs van het artikel is. "Dat hadden we verwacht, toen we de hoeveelheid boor verhoogden, de legering zou ultrahoge sterkte behouden vanwege de uit meerdere elementen bestaande bestanddelen."

Volgens de conventionele wijsheid, het toevoegen van sporenhoeveelheden (0,1 tot 0,5 atoomprocent (at.%)) boor verbetert aanzienlijk hun treksterkte door de korrelgrenscohesie te vergroten. Wanneer overmatige hoeveelheden boor werden toegevoegd, deze traditionele aanpak zou niet werken. "Maar toen we buitensporige hoeveelheden boor aan de huidige multicomponent-intermetallische legeringen toevoegden, we kregen totaal andere resultaten. Op een gegeven moment vroeg ik me af of er iets mis was gegaan tijdens de experimenten, "Dr. Yang herinnerde zich.

Tot verbazing van het team bij het verhogen van boor tot zo hoog als 1,5 tot 2,5 at. %, deze met boor gedoteerde legeringen werden zeer sterk maar zeer ductiel. Experimentresultaten onthulden dat de intermetallische legeringen met 2 at. % boor heeft een ultrahoge vloeigrens van 1,6 gigapascal met een treksterkte van 25% bij omgevingstemperaturen.

Door verschillende transmissie-elektronenmicroscopieën te bestuderen, het team ontdekte dat wanneer de concentratie van boor varieerde van 1,5 tot 2,5 at. %, een onderscheidende nanolaag werd gevormd tussen aangrenzende geordende korrels. Elk van de korrels was ingekapseld in deze ultradunne nanolaag van ongeveer 5 nm dik. En de nanolaag zelf heeft een ongeordende atomaire structuur. "Dit bijzondere fenomeen was nog nooit eerder ontdekt en gerapporteerd, " zei professor Liu.

Hun trekproeven toonden aan dat de nanolaag dient als bufferzone tussen aangrenzende korrels, die plastische vervorming aan korrelgrenzen mogelijk maakt, wat resulteert in de grote treksterkte bij een ultrahoog vloeigrensniveau.

Waarom wordt de ongeordende nanolaag gevormd?

Het team ontdekte dat de verdere toename van boor de "multi-element co-segregatie" aanzienlijk heeft verbeterd - de verdeling van meerdere elementen langs de korrelgrenzen. Met de geavanceerde driedimensionale atoomsondetomografie (3-D APT) bij CityU, de enige in zijn soort in Hong Kong en Zuid-China, ze observeerden een hoge concentratie boor, ijzer- en kobaltatomen in de nanolagen. In tegenstelling tot, het nikkel, aluminium en titanium waren daar grotendeels uitgeput. Deze unieke elementaire partitie, als resultaat, veroorzaakte de wanorde op nanoschaal in de nanolaag die de breuken langs korrelgrenzen effectief onderdrukt en de ductiliteit verbetert.

Bovendien, bij het evalueren van de thermische respons van de legering, het team ontdekte dat de toename in korrelgrootte verwaarloosbaar was, zelfs na 120 uur gloeien bij een hoge temperatuur van 1050°C. Dit verraste het team opnieuw omdat de meeste structurele materialen meestal de snelle groei van korrelgrootte vertonen bij hoge temperatuur, waardoor de kracht snel afneemt.

Een nieuwe weg voor het ontwikkelen van structuurmaterialen voor gebruik bij hoge temperaturen

Ze geloofden dat de nanolaag cruciaal is bij het onderdrukken van groei in korrelgrootte en het behouden van zijn sterkte bij hoge temperatuur. En de thermische stabiliteit van de ongeordende nanolaag zal dit type legering geschikt maken voor structurele toepassingen bij hoge temperaturen.

"De ontdekking van deze ongeordende nanolaag in de legering zal in de toekomst van grote invloed zijn op de ontwikkeling van materialen met een hoge sterkte. deze benadering kan worden toegepast op structurele materialen voor toepassingen bij hoge temperaturen zoals ruimtevaart, auto, kernenergie, en chemische technologie, " zei professor Liu.