Ekstremt stærke og alligevel utrolig duktile flerkomponentlegeringer udviklet

Et forskerhold ledet af City University of Hong Kong (CityU) har udviklet en strategi for at skabe nye højstyrke legeringer, der er ekstremt stærke, duktil og fleksibel. Strategien overvinder de kritiske spørgsmål i forbindelse med styrke-duktilitets-afvejningsdilemmaet, bane vejen for innovative strukturelle materialer i fremtiden.

Legeringer med flere hovedelementer, generelt omtalt som højentropi legeringer (HEA), er en ny type materiale konstrueret med lige store eller næsten lige store mængder af fem eller flere metaller. De er i øjeblikket i fokus inden for materialevidenskab og teknik på grund af deres potentielle strukturelle anvendelser. Alligevel deler de fleste af legeringerne den samme skadelige egenskab:Jo højere legeringens styrke, jo mindre duktilitet og sejhed, hvilket betyder, at stærke legeringer har tendens til at være mindre deformerbare eller strækbare uden brud.

For nylig, imidlertid, en undersøgelse ledet af professor Liu Chain Tsuan, University Distinguished Professor ved Institut for Materialevidenskab og Engineering ved CityU, har fundet en banebrydende løsning på dette skræmmende årtier lange dilemma - fremstilling af højentropi-legeringer gennem massiv udfældning af partikler i nanoskala. Denne banebrydende forskning er netop blevet offentliggjort i det seneste nummer af det prestigefyldte tidsskrift Videnskab , med titlen "Multikomponent intermetalliske nanopartikler og fremragende mekanisk opførsel af komplekse legeringer."

Løsning af afvejningen mellem styrke og duktilitet

"Vi er i stand til at lave en ny højentropi-legering kaldet Al ₇ Ti ₇ ((FeCoNi) ₈₆ -Al ₇ Ti ₇ ) med en overlegen styrke på 1,5 gigapascal og duktilitet så høj som 50 procent i spænding ved omgivelsestemperatur. Styrket af nanopartikler, denne nye legering er fem gange stærkere end den for den jern-kobolt-nikkel (FeCoNi)-baserede legering, " siger professor Liu.

"De fleste konventionelle legeringer indeholder et eller to hovedelementer, såsom nikkel og jern til fremstilling, " forklarer han. "Men ved at tilføje yderligere elementer af aluminium og titanium for at danne massive bundfald i den FeCoNi-baserede legering, vi har fundet ud af, at både styrken og duktiliteten er steget markant, løse det kritiske spørgsmål om afvejningsdilemmaet for strukturelle materialer."

I øvrigt, højstyrkelegeringer er normalt udsat for ustabilitet i plastisk deformation, kendt som nakkeproblemet, hvilket betyder, at når legeringen har en høj styrke, dens deformation ville blive ustabil og meget let føre til halsbrud (lokaliseret deformation) med meget begrænset ensartet forlængelse. Men holdet har endvidere fundet ud af, at ved at tilføje multikomponent intermetalliske nanopartikler, som er komplekse nanopartikler lavet af forskellige grundstoffer, det kan ensartet styrke legeringen ved at forbedre deformationsustabiliteten.

At tackle "nakkeproblemet"

Og de har fundet den ideelle formel for disse komplekse nanopartikler, som består af nikkel, kobolt, jern, titanium og aluminium atomer. Professor Liu forklarer, at hver nanopartikel måler 30 til 50 nanometer. Jern- og koboltatomerne, der erstatter nogle af nikkelkomponenterne, hjælper med at reducere valenselektrondensiteten og forbedre den nye legerings duktilitet. På den anden side, udskiftning af noget af aluminiumet med titanium reducerer i høj grad påvirkningen af ​​fugt i luften for at undgå induceret skørhed i denne nye stærke legering.

"Denne forskning åbner op for en ny designstrategi til at udvikle superlegeringer, ved at udvikle multikomponent nanopartikler for at styrke komplekse legeringer for at opnå fremragende mekaniske egenskaber ved stuetemperaturer og forhøjede temperaturer, " siger professor Liu.

Han mener, at de nye legeringer udviklet med denne nye strategi vil klare sig godt i temperaturer fra -200°C til 1000°C. Derfor kan de fungere som en god base til at videreudvikle til strukturel brug i kryogene enheder, fly og aeronautiske systemer og videre.