Ny forskning giver en superstærk aluminiumslegering

Forskere har demonstreret, hvordan man skaber en superstærk aluminiumslegering, der konkurrerer med styrken af ​​rustfrit stål, et fremskridt med potentielle industrielle anvendelser.

"De fleste lette aluminiumslegeringer er bløde og har en iboende lav mekanisk styrke, som hindrer mere udbredt industriel anvendelse, " sagde Xinghang Zhang, en professor ved Purdue University's School of Materials Engineering. "Imidlertid, høj styrke, lette aluminiumslegeringer med en styrke, der kan sammenlignes med rustfrit stål, ville revolutionere bil- og rumfartsindustrien."

Ny forskning viser, hvordan man kan ændre mikrostrukturen af ​​aluminium for at give større styrke og duktilitet. Resultaterne blev beskrevet i to nye forskningsartikler. Arbejdet blev ledet af et team af forskere, der inkluderede Purdue postdoc-forskningsassocieret Sichuang Xue og doktorand Qiang Li.

Det seneste papir blev offentliggjort online 22. januar i tidsskriftet Avancerede materialer . Det tidligere papir blev offentliggjort i november i tidsskriftet Naturkommunikation .

Det nye højstyrke aluminium er gjort muligt ved at introducere "stablingsfejl, " eller forvrængninger i krystalstrukturen. Selvom disse er nemme at fremstille i metaller som kobber og sølv, de er svære at indføre i aluminium på grund af dets høje "stablingsfejlenergi".

Et metals krystalgitter består af en gentagende sekvens af atomlag. Hvis der mangler et lag, der siges at være en stablingsfejl. I mellemtiden såkaldte "tvillinggrænser" bestående af to lag stablingsforkastninger kan dannes. En type stablingsfejl, kaldet en 9R fase, er særligt lovende, sagde Zhang.

"Det har vist sig, at tvillingegrænser er svære at indføre i aluminium. Dannelsen af ​​9R-fasen i aluminium er endnu vanskeligere på grund af dens høje stablingsfejlenergi, " sagde Zhang. "Du ønsker at introducere både nanotwins og 9R fase i nanokornet aluminium for at øge styrke og duktilitet og forbedre termisk stabilitet."

Nu, forskere har lært, hvordan man let opnår denne 9R-fase og nanotwins i aluminium.

"Disse resultater viser, hvordan man fremstiller aluminiumslegeringer, der kan sammenlignes med, eller endda stærkere end, rustfrit stål, " sagde han. "Der er en masse potentielle kommercielle konsekvenser i denne konstatering."

Xue er hovedforfatter af Naturkommunikation papir, som er den første til at rapportere en "chok-induceret" 9R fase i aluminium. Forskere bombarderede ultratynde aluminiumsfilm med bittesmå mikroprojektiler af siliciumdioxid, giver 9R fase.

"Her, ved at bruge en laser-induceret projektil stødtestteknik, vi opdager en deformationsinduceret 9R fase med snesevis af nanometer i bredden, " sagde Xue.

Mikroprojektiltestene blev udført af en forskergruppe ved Rice University, ledet af professor Edwin L. Thomas, en medforfatter af Nature Communications papiret. En laserstråle får partiklerne til at blive kastet ud med en hastighed på 600 meter i sekundet. Proceduren fremskynder dramatisk screeningstest af forskellige legeringer til slagfaste applikationer.

"Sig, at jeg vil screene mange materialer inden for kort tid, " sagde Zhang. "Denne metode giver os mulighed for at gøre det til langt lavere omkostninger end ellers muligt."

Li er hovedforfatter af papiret Advanced Materials, som beskriver hvordan man inducerer en 9R-fase i aluminium ikke ved stød, men ved at indføre jernatomer i aluminiums krystalstruktur via en procedure kaldet magnetronsputtering. Jern kan også indføres i aluminium ved hjælp af andre teknikker, såsom casting, og det nye fund kunne potentielt skaleres op til industrielle applikationer.

De resulterende "nanotvindede" belægninger af aluminium-jernlegering viste sig at være en af ​​de stærkeste aluminiumslegeringer, der nogensinde er skabt, sammenlignelig med højstyrkestål.

"Molekylær-dynamik simuleringer, udført af professor Jian Wangs gruppe ved University of Nebraska, Lincoln, viste 9R-fasen og nanokorn resulterer i høj styrke og arbejdshærdningsevne og afslørede dannelsesmekanismerne for 9R-fasen i aluminium, " sagde Zhang. "Forstå nye deformationsmekanismer vil hjælpe os med at designe ny høj styrke, duktile metalliske materialer, såsom aluminiumslegeringer."

En potentiel anvendelse kunne være at designe slid- og korrosionsbestandige aluminiumslegeringsbelægninger til elektronik- og bilindustrien.