Billeddannelse på atomniveau kunne tilbyde en køreplan for metaller med nye egenskaber

Højentropi legeringer, som er lavet af næsten lige store dele af flere primære metaller, kunne rumme et stort potentiale for at skabe materialer med overlegne mekaniske egenskaber.

Men med et praktisk talt ubegrænset antal mulige kombinationer, en udfordring for metallurger er at finde ud af, hvor de skal fokusere deres forskningsindsats i et stort, uudforsket verden af ​​metalliske blandinger.

Et team af forskere ved Georgia Institute of Technology har udviklet en ny proces, der kan hjælpe med at vejlede en sådan indsats. Deres tilgang involverer at bygge et kemisk kort med atomopløsning for at hjælpe med at få ny indsigt i individuelle højentropi-legeringer og hjælpe med at karakterisere deres egenskaber.

I en undersøgelse offentliggjort 9. oktober i tidsskriftet Natur , forskerne beskrev ved hjælp af energidispersiv røntgenspektroskopi til at skabe kort over individuelle metaller i to højentropi-legeringer. Denne spektroskopiteknik, bruges i forbindelse med transmissionselektronmikroskopi, detekterer røntgenstråler udsendt fra en prøve under bombardement af en elektronstråle for at karakterisere grundstofsammensætningen af ​​en analyseret prøve. Kortene viser, hvordan individuelle atomer arrangerer sig i legeringen, giver forskere mulighed for at lede efter mønstre, der kan hjælpe dem med at designe legeringer, der fremhæver individuelle egenskaber.

For eksempel, kortene kunne give forskere ledetråde til at forstå, hvorfor det at erstatte et metal med et andet kunne gøre en legering stærkere eller svagere, eller hvorfor ét metal udkonkurrerer andre i ekstremt kolde miljøer.

"De fleste legeringer, der bruges i tekniske applikationer, har kun ét primært metal, såsom jern i stål eller nikkel i nikkelbaserede superlegeringer, med relativt små mængder af andre metaller, " sagde Ting Zhu, en professor ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Tech. "Disse nye legeringer, der har relativt høje koncentrationer af fem eller flere metaller, åbner muligheden for ukonventionelle legeringer, der kan have hidtil usete egenskaber. Men dette er et nyt sammensætningsrum, som ikke er blevet udforsket, og vi har stadig en meget begrænset forståelse af denne klasse af materialer."

Navnet "høj entropi" refererer til manglen på ensartethed i blandingen af ​​metaller samt hvor mange forskellige og lidt tilfældige måder atomerne fra metallerne kan arrangeres efterhånden som de kombineres.

De nye kort kan hjælpe forskerne med at afgøre, om der er nogen ukonventionelle atomstrukturer, som sådanne legeringer tager, som kunne udnyttes til tekniske applikationer, og hvor meget kontrol forskere kunne have over blandingerne for at "tune" dem til specifikke egenskaber, sagde Zhu.

For at teste den nye billedbehandlingsmetode, forskerholdet sammenlignede to højentropi-legeringer indeholdende fem metaller. Den ene var en blanding af chrom, jern, kobolt, nikkel, og mangan, en kombination, der almindeligvis omtales som en "Cantor"-legering. Den anden lignede, men erstattede palladium med mangan. Den ene substitution resulterede i meget forskellig adfærd i, hvordan atomerne arrangerede sig i blandingen.

"I Cantor-legeringen, fordelingen af ​​alle fem elementer er konsekvent tilfældig, " sagde Zhu. "Men med den nye legering indeholdende palladium, grundstofferne viser betydelige aggregationer på grund af den meget forskellige atomstørrelse af palladiumatomer samt deres forskel i elektronegativitet sammenlignet med de andre grundstoffer."

I den nye legering med palladium, kortlægningen viste, at palladium havde en tendens til at danne store klynger, mens kobolt syntes at samle sig på steder, hvor jern var i lave koncentrationer.

Disse sammenlægninger, med deres størrelser og mellemrum i området på nogle få nanometer, give stærk deformationsmodstand og kunne forklare forskellene i mekaniske egenskaber fra en højentropi-legering til en anden. I belastningstest, legeringen med palladium udviste højere flydespænding, samtidig med at den bibeholdt samme tøjningshærdning og trækstyrke som Cantor-legeringen.

"Den atomare skalamodulation af elementfordelingen frembringer fluktuationen af ​​gittermodstanden, som stærkt tuner dislokationsadfærd, " sagde Qian Yu, en medforfatter af papiret og en professor ved Zhejiang University. "Sådan modulering sker i en skala, der er finere end udfældningshærdning og er større end traditionel fast opløsningsforstærkning. Og det giver forståelse for den iboende karakter af højentropi legeringer."

Resultaterne kan gøre det muligt for forskere at specialdesigne legeringer i fremtiden, udnytte en eller anden ejendom.

Holdet inkluderede også forskere fra University of Tennessee, Knoxville; Tsinghua Universitet; og det kinesiske videnskabsakademi.