Forskere afslører kinky metallegering, der ikke vil revne ved ekstreme temperaturer på atomniveau

En metallegering sammensat af niobium, tantal, titanium og hafnium har chokeret materialeforskere med sin imponerende styrke og sejhed ved både ekstremt varme og kolde temperaturer, en kombination af egenskaber, der indtil videre så ud til at være næsten umulige at opnå.

I denne sammenhæng defineres styrke som hvor meget kraft et materiale kan modstå, før det deformeres permanent fra sin oprindelige form, og sejhed er dets modstandsdygtighed over for brud (revner). Legeringens modstandsdygtighed over for bøjning og brud på tværs af en enorm række forhold kan åbne døren for en ny klasse af materialer til næste generations motorer, der kan arbejde med højere effektivitet.

Holdet, ledet af Robert Ritchie ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley, opdagede i samarbejde med grupperne ledet af professorerne Diran Apelian ved UC Irvine og Enrique Lavernia ved Texas A&M University legeringens overraskende egenskaber og fandt derefter ud af legeringens overraskende egenskaber. hvordan de opstår fra interaktioner i atomstrukturen. Deres arbejde er beskrevet i en undersøgelse, der blev offentliggjort i Science .

"Effektiviteten af ​​at konvertere varme til elektricitet eller tryk bestemmes af den temperatur, hvormed brændstof forbrændes - jo varmere, jo bedre. Driftstemperaturen er imidlertid begrænset af de strukturelle materialer, som skal modstå det," sagde førsteforfatter David Cook, en ph.d. studerende i Ritchies laboratorium. "Vi har udtømt evnen til yderligere at optimere de materialer, vi i øjeblikket bruger ved høje temperaturer, og der er et stort behov for nye metalliske materialer. Det er, hvad denne legering lover."

Legeringen i denne undersøgelse er fra en ny klasse af metaller kendt som ildfaste høj eller medium entropi legeringer (RHEAS/RMEAs). De fleste af de metaller, vi ser i kommercielle eller industrielle applikationer, er legeringer fremstillet af et hovedmetal blandet med små mængder af andre grundstoffer, men RHEA'er og RMEA'er fremstilles ved at blande næsten lige store mængder af metalliske elementer med meget høje smeltetemperaturer, hvilket giver dem unikke egenskaber, som videnskabsmænd stadig er ved at optrevle.

Ritchies gruppe har undersøgt disse legeringer i flere år på grund af deres potentiale til anvendelse ved høje temperaturer.

"Vores team har tidligere arbejdet med RHEA'er og RMEA'er, og vi har fundet ud af, at disse materialer er meget stærke, men generelt har ekstremt lav brudsejhed, hvilket er grunden til, at vi blev chokerede, da denne legering udviste usædvanlig høj sejhed," sagde medkorresponderende forfatter. Punit Kumar, en postdoc-forsker i gruppen.

Ifølge Cook har de fleste RMEA'er en brudsejhed på mindre end 10 MPa√m, hvilket gør dem til nogle af de mest skøre metaller nogensinde. De bedste kryogene stål, specielt konstrueret til at modstå brud, er omkring 20 gange hårdere end disse materialer. Alligevel niobium, tantal, titanium og hafnium (Nb₄₅ Ta₂₅ Ti₁₅ Hf₁₅ ) RMEA-legeringen var i stand til at slå selv det kryogene stål, idet den var over 25 gange hårdere end typiske RMEA'er ved stuetemperatur.

Men motorer kører ikke ved stuetemperatur. Forskerne vurderede styrke og sejhed ved fem temperaturer i alt:-196°C (temperaturen af ​​flydende nitrogen), 25°C (stuetemperatur), 800°C, 950°C og 1200°C. Den sidste temperatur er omkring 1/5 af solens overfladetemperatur.

Holdet fandt ud af, at legeringen havde den højeste styrke i kulde og blev lidt svagere, da temperaturen steg, men kunne stadig prale af imponerende tal i hele det brede område. Brudsejheden, som er beregnet ud fra hvor meget kraft det kræver at udbrede en eksisterende revne i et materiale, var høj ved alle temperaturer.

Optrævling af atomarrangementerne

Næsten alle metalliske legeringer er krystallinske, hvilket betyder, at atomerne inde i materialet er arrangeret i gentagne enheder. Ingen krystal er dog perfekt; de indeholder alle defekter. Den mest fremtrædende defekt, der bevæger sig, kaldes dislokationen, som er et ufærdigt plan af atomer i krystallen. Når der påføres kraft på et metal, får det mange dislokationer til at bevæge sig for at imødekomme formændringen.

For eksempel, når du bøjer en papirclips, der er lavet af aluminium, tilpasser bevægelsen af ​​dislokationer inde i papirclipsen formændringen. Imidlertid bliver bevægelsen af ​​dislokationer vanskeligere ved lavere temperaturer, og som et resultat bliver mange materialer sprøde ved lave temperaturer, fordi dislokationer ikke kan bevæge sig. Det er grunden til, at stålskroget på Titanic brækkede, da det ramte et isbjerg.

Grundstoffer med høje smeltetemperaturer og deres legeringer tager dette til det ekstreme, hvor mange forbliver skøre op til selv 800°C. Denne RMEA modstår imidlertid trenden og modstår snapping selv ved temperaturer så lave som flydende nitrogen (-196°C).

For at forstå, hvad der skete inde i det bemærkelsesværdige metal, analyserede medforsker Andrew Minor og hans team de stressede prøver sammen med ubøjede og ikke-revnede kontrolprøver ved hjælp af firedimensionel scanningstransmissionselektronmikroskopi (4D-STEM) og scanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM) ved National Center for Electron Microscopy, en del af Berkeley Labs Molecular Foundry.

Elektronmikroskopidataene afslørede, at legeringens usædvanlige sejhed kommer fra en uventet bivirkning af en sjælden defekt kaldet et knækbånd. Bøjebånd dannes i en krystal, når en påført kraft får strimler af krystallen til at kollapse på sig selv og brat bøje sig.

Retningen, hvori krystallen bøjer i disse strimler, øger den kraft, som dislokationer føles, hvilket får dem til at bevæge sig lettere. På bulkniveau får dette fænomen materialet til at blive blødt (hvilket betyder, at der skal påføres mindre kraft på materialet, når det deformeres).

Holdet vidste fra tidligere forskning, at knækbånd let dannedes i RMEA'er, men antog, at den blødgørende effekt ville gøre materialet mindre sejt ved at gøre det lettere for en revne at sprede sig gennem gitteret. Men i virkeligheden er det ikke tilfældet.

"Vi viser for første gang, at i nærvær af en skarp revne mellem atomer, modstår knækbånd faktisk udbredelsen af ​​en revne ved at fordele skader væk fra den, forhindre brud og føre til ekstraordinær høj brudsejhed," sagde Cook.

Nb₄₅ Ta₂₅ Ti₁₅ Hf₁₅ legering skal gennemgå meget mere fundamental forskning og ingeniørtestning, før noget som en jetflyturbine eller SpaceX raketdyse bliver lavet af det, sagde Ritchie, fordi maskiningeniører med rette kræver en dyb forståelse af, hvordan deres materialer fungerer, før de bruger dem i den virkelige verden. Denne undersøgelse indikerer dog, at metallet har potentialet til at bygge fremtidens motorer.

Flere oplysninger: David H. Cook et al, Kink-bånd fremmer exceptionel brudmodstand i en NbTaTiHf-ildfast medium-entropi-legering, Science (2024). DOI:10.1126/science.adn2428

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Lawrence Berkeley National Laboratory