Opdagelse kan føre til jetmotorer, der kører varmere - og renere

Forskere her har gjort en opdagelse inden for materialevidenskab, der lyder som noget fra den gamle lørdag morgen tegneserie Super Friends:De har fundet en måde at deaktivere "nano tvillinger" for at forbedre højtemperaturegenskaberne af superlegeringer, der bruges i jetmotorer.

Fremskridtet kunne fremskynde udviklingen af ​​kraftfulde og miljøvenlige turbinemotorer af alle slags, inklusive dem, der bruges til transport og elproduktion.

De pågældende "nano-tvillinger" er mikroskopiske defekter, der vokser inde i legeringer og svækker dem, tillader dem at deformeres under varme og tryk. I journalen Naturkommunikation , ingeniører ved Ohio State University beskriver, hvordan skræddersy en legerings sammensætning og derefter udsætte den for høj varme og tryk ikke kun kan forhindre nano-tvillinger i at dannes, det kan faktisk gøre legeringen stærkere.

I test, teknikken, som de har døbt "fasetransformationsstyrkelse, " eliminerede dannelsen af ​​nano-tvillinger og reducerede legeringsdeformation med det halve.

Stærk, varmebestandige legeringer gør det muligt for turbinemotorer at køre rent og effektivt, forklarede Michael Mills, professor i materialevidenskab og teknik og leder af projektet ved Ohio State. Når en motor kan køre ved meget høje temperaturer, det bruger sit brændstof mere grundigt og producerer lavere emissioner.

"Vi fandt ud af, at øget koncentration af visse grundstoffer i superlegeringer hæmmer dannelsen af ​​højtemperaturdeformationstvillinger, derved væsentligt forbedre legeringernes højtemperaturegenskaber, " sagde Mills.

Disse dage, de mest avancerede legeringer er designet på computer - praktisk talt atom for atom - og Mills' team satte sig for at løse, hvad han kaldte et underskud i "kvantitative, omfattende forståelse" af, hvordan disse eksotiske metalbaserede materialer deformeres under høj belastning.

Forskerne gjorde opdagelsen, da de studerede nano-tvillingdannelse i to forskellige kommercielle superlegeringer. De komprimerede prøver af legeringerne med tusindvis af punds tryk på omkring 1, 400 grader Fahrenheit - en temperatur, der kan sammenlignes med en kørende jetmotor - og undersøgte bagefter legeringernes krystalstrukturer med elektronmikroskoper og modellerede atomernes kvantemekaniske adfærd på en computer.

I begge legeringer, temperaturen og trykket fik nano-tvillingfejl til at udvikle sig i superlegeringskrystallerne. Og, i begge legeringer, materialesammensætningen i og omkring fejlene ændrede sig, men på forskellige måder.

Gennem en sekvens af atomskalaspring, nogle elementer - såsom nikkel- og aluminiumatomer - spredte sig væk fra fejlene, mens andre diffunderede ind i fejlene. Forskerne var i stand til at detektere disse finskalabevægelser ved hjælp af de avancerede elektronmikroskoper ved Ohio State's Center for Electron Microscopy and Analysis (CEMAS), som tilbyder en af ​​de største koncentrationer af elektron- og ionstråleanalytiske mikroskopiinstrumenter i enhver nordamerikansk institution.

"I den første legering, som ikke var så stærk ved høj temperatur, atomer af kobolt og krom fyldte fejlen, " sagde Timothy Smith, tidligere studerende ved Ohio State og hovedforfatter af undersøgelsen. "Det svækkede området omkring fejlen og tillod det at blive tykkere og blive en nano-tvilling."

Men i den anden legering – den der ikke dannede nano-tvillinger – grundstofferne titanium, tantal og niob havde en tendens til at diffundere ind i fejlene i stedet. Som resultat, en ny og meget stabil fase af materiale dannet lige ved fejlene. Den nye fase var så stabil, at den modstod dannelsen af ​​nano-tvillinger.

Tendensen for bestemte atomer til at diffundere ind i nano-tvillingfejlene afhænger af legeringens samlede sammensætning, fandt forskerne. "Vi opdagede, at når mængden af ​​titanium, tantal, og niob i legeringen blev øget, samtidig med at kobolt og chrom reduceres, vi kunne faktisk styrke området omkring fejlene og forhindre fejlen i at udvide sig til en nano-tvilling, " sagde Smith.

Forskernes innovative kombination af billeddannelse på atomniveau og high-end computing er et unikt træk ved forskning udført på CEMAS, sagde David McComb, studiemedforfatter og direktør for CEMAS.

"Forskning som denne illustrerer perfekt CEMAS' kraft til at hjælpe med at fremme opdagelse i nye materialer og processer, " han tilføjede.

Teamet fortsætter med at studere fasetransformationsstyrkelse, for at se, om skræddersyet legeringssammensætninger på forskellige måder kan forstærke effekten.

Smith opnåede sin doktorgrad ved at udføre dette arbejde, og er nu forskningsmaterialeingeniør ved NASA Glenn Research Center. Avisens medforfattere omfattede Robert Williams, assisterende direktør for CEMAS; Wolfgang Windl, professor i materialevidenskab og teknik; Hamish Fraser, Ohio Eminent Scholar og professor i materialevidenskab og teknik; og ph.d.-studerende Bryan Esser og Nikolas Antolin, hele Ohio State; Anna Carlsson fra FEI/Thermo Fisher Scientific; og Andrew Wessman fra GE.