Nová slitina je až 10krát silnější než ocel a překvapivě flexibilní

Foto: AI/ScienceDaily.com

Úvod do nové slitiny

Vědci z Purdue University přeměnili notoricky křehkou sloučeninu kobaltu a hliníku na materiál, který je extrémně silný a zároveň schopný ohýbat se, aniž by se zlomil. Jejich návrh na nanoskopické úrovni dosáhl meze kluzu přibližně šest až desetkrát vyšší než u vysokopevnostní konstrukční oceli, přičemž materiál dokáže snášet značnou deformaci při pokojové teplotě. Tento přístup by mohl umožnit výrobu odolnějších lopatek turbín a výkonnějších motorů.

Autor původního článku: redakce

Transformace křehkého materiálu

Inženýři přeměnili křehkou kovovou sloučeninu na ultra silný, flexibilní materiál, který by mohl pohánět další generaci vysoce výkonných motorů. Materiáloví vědci nyní mohou přetvářet vnitřní strukturu určitých slitin na extrémně malých měřítkách, což jim umožňuje zlepšovat vlastnosti jako pevnost, odolnost a flexibilitu. Jedna obzvláště slibná skupina materiálů je známá jako intermetalika.

Intermetalika a jejich vlastnosti

Intermetalika jsou pevné materiály vyrobené ze dvou nebo více kovových prvků uspořádaných ve vysoce uspořádané krystalové struktuře. Jejich neobvyklá atomová organizace jim může poskytnout výjimečnou pevnost, vysoké teploty tání a silnou odolnost vůči tečení, což je pomalá deformace materiálu pod dlouhodobým teplem a stresem. Tyto vlastnosti činí intermetalika cennými pro náročné technologie, včetně proudových motorů, plynových turbín, systémů pro ukládání energie a automobilových komponentů. Nicméně, mnoho z těchto materiálů má hlavní slabost. Mají tendenci být extrémně křehké.

Zvýšení plasticity křehkého materiálu

Ve výzkumu publikovaném v Science Advances inženýři z Purdue University demonstrovali nový způsob, jak kombinovat velmi vysokou pevnost s významnou plasticitou v intermetalice kobaltu a hliníku (CoAl). Plasticita se týká schopnosti materiálu trvale měnit tvar, aniž by praskl nebo se zlomil. Pro průmyslové aplikace je to důležité, protože materiál, který se nemůže deformovat, je obtížné tvarovat do složitých komponentů a může se náhle zlomit pod stresem.

Xinghang Zhang, profesor na Purdue’s School of Materials Engineering, je hlavním autorem článku s názvem „Plasticity in brittle intermetallics enabled by framework of amorphous interfaces and preexisting dislocations.“ Další spolupracovníci z Purdue zahrnují Haiyan Wang, Basil S. Turner Professor of Engineering v materiálovém inženýrství a Elmore Family School of Electrical and Computer Engineering, a Ke Xu, postdoktorand v materiálovém inženýrství a první autor.

Výhody atomových defektů

„Bulk CoAl intermetalika jsou sloučeniny s vysokou pevností,“ řekl Zhang. „Mezi další aplikace mohou potenciálně být použity v materiálech nové generace lopatek turbín pro letecké motory, což jsou plynové turbínové motory, které generují tah pro pohon letadel. Vysokopevnostní, plasticky deformovatelné CoAl slitiny by mohly umožnit motoru nebo turbu se otáčet rychleji při snášení vyšší odstředivé síly, čímž se zlepšuje jejich výkon.“

Jako mnoho intermetalik, bulk CoAl je obzvláště křehký při pokojové teplotě. Zvýšení jeho plasticity by mohlo usnadnit výrobu a umožnit inženýrům vytvářet sofistikovanější struktury pro motory a další vysoce výkonné systémy. „V této studii ukazujeme, že CoAl může vykazovat významnou plasticitu při pokojové teplotě, což nabízí nový, alternativní přístup ke zlepšení schopnosti plastické deformace v CoAl,“ řekl Xu.

Výroba a testování nového materiálu

Starší snahy o zlepšení plasticity CoAl se zaměřovaly na změnu jeho složení, úpravu jeho mikrostruktury nebo kombinaci s jinými materiály. Tyto přístupy přinesly omezené výsledky, protože nevytvořily dostatečný počet vysokohustotních dislokací uvnitř intermetalika. Dislokace jsou mikroskopické nepravidelnosti v krystalu, kde atomy již nejsou zarovnány v dokonale uspořádaném vzoru. Ačkoli slovo defekt může naznačovat slabost, dislokace mohou pomoci kovům deformovat se pod extrémní silou místo toho, aby se rozpadly.

„Přímo jsme zavedli dislokace v CoAl během depozice sputteringem,“ řekl Zhang. „Důležitější je, že jsme navrhli rámec amorfních rozhraní (FAIs) – flexibilní hranice v materiálech pro strukturální flexibilitu, které se částečně krystalizují během deformace a podporují nukleaci dislokací v CoAl intermetalikách.“

Výsledky a aplikace

Kombinace dislokací zavedených během výroby a rámce amorfních rozhraní vytvořila výjimečně silné CoAl intermetalikum. Testy ukázaly, že materiál dosáhl meze kluzu 6 GPa (gigapascal, měření stresu). To je přibližně šest až desetkrát vyšší než mez kluzu vysokopevnostní konstrukční oceli. Mez kluzu popisuje, kolik stresu může materiál snést, než se začne trvale deformovat.

Přestože je extrémně pevný, materiál CoAl také snesl 15 % plastické deformace při kompresi při pokojové teplotě. „Tato kombinace ultravysoce mechanické pevnosti a vynikající plasticity činí současný systém CoAl nanolaminátů jedním z nejlepších intermetalických systémů, které byly dosud hlášeny,“ řekl Xu.

Výzkumníci vyrobili materiál pomocí magnetronového sputteringového depozice, procesu, který aplikuje tenký film na povrch. Tento neekvilibrační výrobní postup jim umožnil vytvořit CoAl s amorfními hliníko-kobaltovými binárními rozhraními. Přístup je velmi odlišný od tradičního lití kovů (z kapalného na pevný), které začíná roztaveným materiálem a umožňuje mu ztuhnout do pevné formy. Namísto toho magnetronové sputteringové depozice vytváří materiál z par slitiny.

„Tento neekvilibrační výrobní přístup nám umožňuje vyrábět materiály z par slitiny do pevného stavu, zavádět značný počet dislokací v CoAl,“ řekl Zhang. „Byli jsme schopni dosáhnout významné pevnosti a plasticity v CoAl, což nelze realizovat tradičním litím.“

Pro měření mechanického výkonu (pevnosti a plasticity) CoAl intermetalik tým provedl in situ mechanické testování uvnitř skenovacího elektronového mikroskopu. Tato metoda umožnila výzkumníkům pozorovat materiál, jak se deformuje, a sledovat jeho chování s mikrometrovou přesností.

Profesor Yashashree Kulkarni a její doktorand Anand Mathew z University of Houston také přispěli k projektu. Použili simulace molekulární dynamiky k prozkoumání procesů probíhajících uvnitř CoAl na atomové úrovni. Simulace ukázaly, že rámce amorfních rozhraní se krystalizovaly během deformace. Také odhalily dislokace pohybující se z vrstev rozhraní do okolních vrstev CoAl, což pomáhá vysvětlit, jak se materiál může deformovat, aniž by se rychle zlomil.

Průmyslové využití a budoucnost

Experimenty ukázaly, že speciálně navržená rozhraní vrstev mohou podstatně zlepšit plastickou deformovatelnost CoAl. Výzkumníci se nyní pokusí aplikovat stejný koncept na bulk CoAl nanokompozity, které by mohly být vyráběny pro průmyslové aplikace v měřítku. „Budeme také testovat koncept s použitím dalších intermetalik s cílem stanovit obecnou použitelnost FAIs pro zlepšení plasticity v této třídě kovů,“ řekl Xu.

Další fázi výzkumu povede Zhangova Nanometal Group. Skupina kombinuje syntézu materiálů, in situ nanomechanické testování a pokročilou analýzu mikrostruktury na atomové úrovni k vývoji kovových materiálů, které jsou jak silné, tak deformovatelné. Zhangův širší výzkum také zahrnuje syntézu nanomateriálů, radiační poškození v nanostrukturovaných materiálech, mechanické chování nanostrukturovaných kovů a funkční materiály.

Zjištění by mohla mít důležité důsledky pro několik pokročilých technologických sektorů. Silnější a tažnější intermetalika mohou podpořit vývoj vylepšených lopatek turbín, leteckých motorů, energetických systémů, obranných technologií a materiálů určených pro použití ve vesmíru. „Tažná intermetalika významně posílí naše schopnosti navrhovat pokročilé materiály pro letecké a kosmické, energetické a obranné aplikace,“ řekl Zhang.

Výzkum byl primárně financován programem National Science Foundation’s Metals and Metallic Nanostructures.

Mohlo by vás zajímat

• Malý molekulární košík odemyká nový druh chemie
• Vědci našli způsob, jak vysvětlit hejna ptáků, která „odporují“ třetímu Newtonovu zákonu
• Astronomové poprvé svědky zrození magnetaru

Původní článek: This new alloy is up to 10 times stronger than steel and surprisingly flexible