Fremme af multiprincipale legeringer:Forskere udforsker nye domæner af sammensætningsmæssigt komplekse metaller

De væsentligste fremskridt i den menneskelige civilisation er præget af udviklingen af ​​de materialer, som mennesker bruger. Stenalderen gav plads til bronzealderen, som igen gav plads til jernalderen. Nye materialer forstyrrer tidens teknologier, forbedring af livet og den menneskelige tilstand.

Moderne teknologier kan ligeledes direkte spores til innovationer i de materialer, der bruges til at fremstille dem, som eksemplificeret ved brugen af ​​silicium i computerchips og state-of-the-art stål, der understøtter infrastruktur. I århundreder, imidlertid, materialer og legeringsdesign har været afhængig af brugen af ​​en base, eller rektor, element, hvortil små fraktioner af andre grundstoffer tilsættes. Tag stål, for eksempel, hvor små mængder kulstof tilsat hovedgrundstoffet jern (Fe), føre til forbedrede egenskaber. Når små mængder af andre elementer tilsættes, stålet kan skræddersyes til, sige, forbedret korrosionsbestandighed eller forbedret styrke.

Går tilbage til en idé foreslået i 2004, de sidste mange år har været vidne til fremkomsten af ​​et nyt paradigme inden for legeringsdesign, hvor tre eller flere grundstoffer er blandet i nogenlunde lige store forhold. Navngivne multiprincipal element legeringer (MPEA'er), eller ofte kendt som en undergruppe af disse legeringer kaldet højentropi legeringer, disse materialer udvisker skelnen mellem majoritets- og minoritetspopulationer af elementer. Denne mere perfekte forening af atomare partnere, der udgør det kollektive materiale, udviser spændende egenskaber, der tillader dem at præstere bedre end deres traditionelle modstykker.

"Nogle af disse materialer udviser exceptionelle kombinationer af styrke, duktilitet og skadetolerance, " skriver et hold af UC Santa Barbara-forskere - inklusive materialeprofessorer Dan Gianola, Tresa Pollock og Irene Beyerlein, og postdoc-forsker Fulin Wang - og deres medforfattere i et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab . "Ildfaste legeringer [lavet af en gruppe på ni metalelementer i det periodiske system, der er meget modstandsdygtige over for varme og slid] er attraktive kandidater til brug ved ekstremt høje temperaturer forbundet med mange teknologiske anvendelser."

MPEA'er motiverede udviklingen af ​​ildfaste MPEA'er, først lavet i 2010. Men at bruge flere legeringer øger næsten uendeligt antallet af mulige legerings-"opskrifter". Det store antal kombinationer, der kan opnås, sætter scenen for brugen af ​​avanceret computerscreening og maskinlæring for at målrette de materialer, der har de mest interessante og ønskværdige egenskaber.

"For at disse tilgange skal lykkes, det er afgørende, at legeringsdesignprocessen er styret af en forståelse af oprindelsen af ​​de specifikke egenskaber, der ønskes, " skriver Julie Cairney, en professor ved School of Aerospace, Mekanisk og mekatronisk teknik, ved University of Sydney, i Australien, i et ledsagerstykke.

I deres Videnskab papir, UCSB-teamet og kolleger ved University of Kentucky, U.S. Naval Research Laboratory, og U.S. Air Force Research Laboratory, foreslå en måde at forbedre evnen til at forudsige, hvilke legeringer der kan have værdifulde egenskaber.

Den vigtigste blandt sådanne egenskaber er en legerings evne til at deformere, være støbt eller bøjet, uden at revne og for at bevare dens materielle integritet under de overdrevne belastninger og den høje varme, der findes i ekstreme miljøer, såsom i flyvinger, raketmotorer og industriturbiner.

"På det atomare plan, et materiale deformeres, eller ændrer sin form, som et resultat af bevægelige atomer, " forklarede Wang, en postdoc i Gianolas laboratorium.

De krystallinske strukturer af metaller består af stablede planer af atomer organiseret i et meget regelmæssigt gitter. Når et metal deformeres, atomer bevæger sig, eller glide, over hinanden på gitteret. Linjen, der adskiller de områder, hvor atomer har bevæget sig, og hvor de ikke har bevæget sig, kaldes en dislokation. Egenskaberne ved dislokationer, herunder hvor let og hvor de kan bevæge sig, bliver derfor meget vigtigt for materialets deformationsadfærd.

På trods af fordelene ved MPE-legeringer, fremskridtene med at designe dem har været langsom. Mens traditionelle trial-and-error-metoder er ineffektive, fra omkring 2017, mere forskningsindsats blev afsat til at udvikle teorier for at forsøge at identificere den underliggende årsag til, at en bestemt legering havde ønskværdige egenskaber.

"Men, " sagde Wang, "der mangler eksperimentelt bevis for at informere nogle kritiske elementer i teorien. Da jeg begyndte at arbejde på dette projekt, mit umiddelbare spørgsmål var, hvad er specielt ved MPEA'erne sammenlignet med traditionelle legeringer? Da vi er interesserede i mekaniske egenskaber, vi fokuserer på dislokationerne."

I dette studie, forskerne brugte elektronmikroskopi til at undersøge konfigurationerne af dislokationer og afsløre de mekanistiske oprindelser, der giver anledning til ønskelige egenskaber i en modellegering. Kombineret med de atomistiske simuleringer fra gruppen af ​​Irene Beyerlein, de viste, at det tilfældige felt af forskellige elementer låser op for flere veje for dislokationsbevægelser, funktioner, der ikke er tilgængelige i konventionelle legeringer.

"For konventionelle dislokationer, kraften til at bryde atombindinger ved en dislokation er enkelt værdiansat, fordi alle atomer er ens, " sagde Beyerlein. "For MPE-dislokationen, denne kraft kan ikke være deterministisk. Strukturen af ​​en MPE-dislokation bliver omdefineret, når den forsøger at bevæge sig gennem tilfældigt skiftende atomare miljøer.

"Med vores atomistiske beregninger, vi valgte at forvente det uventede og undersøgte ikke kun de sædvanlige tilstande, men yderligere højere glidemåder, typisk forsømt i litteraturen til dato, " tilføjede hun. "Vi udførte også tusindvis af beregninger, som afslørede, hvor meget varierende denne kritiske dislokationskraft kan være, og hvor gunstige alternative højere glidemåder er."

Undersøgelsen er en del af en større samarbejdsindsats ledet af Pollock og finansieret af Office of Naval Research, hedder MPE.edu, som også involverer UCSB-forskerne Carlos Levi og Anton van der Ven, rettet mod at opnå grundlæggende indsigt i, hvordan man bedst kan udforske det store ildfaste legeringsrum.

"Mens sammensætningsmæssige komplekse legeringer længe har været interessante for os, fremskridtene med at udforske det store kompositoriske rum har været langsom, " sagde Pollock. "Med MPE-projektet, vi samlede et team, der brugte nye beregninger, maskinelæring, og eksperimentelle værktøjer, som har gjort os i stand til at afdække ny adfærd og hurtigt udforske nye kompositoriske domæner. De meget høje smeltepunkter for de ildfaste materialer af interesse har gjort dem notorisk vanskelige at fremstille og studere i fortiden, men vores nye tilgange, kombineret med mulighed for 3-D print, ændre landskabet fuldstændigt."

"Dette arbejde er emblematisk for den sande kraft ved at kombinere eksperimenter med simulering og teori, " sagde Gianola. "Mange forskere taler mundheld til denne synergi, men denne undersøgelse kunne ikke være gået så langt, som den gjorde uden den konstante frem og tilbage mellem forsøgs- og simulationsgrupperne. Fremtiden ser meget lys ud."