Nanoskalaens hemmelighed for stærkere legeringer

Længe før de vidste, at de gjorde det - lige så længe som Wright Brothers første flymotor - metallurgister indarbejdede nanopartikler i aluminium for at gøre en stærk, hårdt, varmebestandig legering. Processen kaldes nedbør i fast tilstand, hvori, efter at smelten hurtigt er afkølet, atomer af legeringsmetaller vandrer gennem en fast matrix og samler sig i spredte partikler målt i milliarddele af en meter, kun nogle få atomer brede.

Nøglen til styrken af ​​disse nedbørshærdede legeringer er størrelsen, form, og ensartethed af nanopartiklerne og hvor stabile de er ved opvarmning. En legering med en meget vellykket kombination af egenskaber er en særlig formulering af aluminium, skandium, og lithium, hvis bundfald alle er næsten samme størrelse. Det blev først lavet på det amerikanske energiministerium Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) i 2006 af et team ledet af Velimir Radmilović og Ulrich Dahmen fra Materials Sciences Division.

Disse forskere og deres kolleger har nu kombineret atomskalaobservationer med det kraftfulde TEAM-mikroskop ved Berkeley Labs National Center for Electron Microscopy (NCEM) med atom-probe tomografi og andre eksperimentelle teknikker, og med teoretiske beregninger, at afsløre, hvordan nanopartikler bestående af kerner rige på scandium og omgivet af litiumrige skaller kan sprede sig i bemærkelsesværdigt ensartede størrelser gennem en ren aluminiummatrix.

"Med TEAM-mikroskopet var vi i stand til at studere kernens skalstruktur af disse nanopræcipitter og hvordan de danner kugler, der er næsten ens i diameter, "siger Dahmen, direktøren for NCEM og en forfatter til Naturmaterialer papir, der beskriver de nye undersøgelser. "Hvad mere er, disse partikler ændrer ikke størrelse over tid, som de fleste bundfald gør. Typisk, små partikler bliver mindre og store partikler bliver større, en proces kaldet modning eller grovning, som til sidst svækker legeringerne. Men disse ensartede kerneskal-nanopræcipitater modstår forandringer. "

Evolution af en legering

I aluminium-scandium-lithium-systemet fandt forskerne, at, efter den indledende smeltning, en enkel totrins opvarmningsproces skaber først de scandiumrige kerner og derefter de sfæriske partiklers litiumrige skaller. Sfærerne begrænser selv deres vækst for at opnå de samme ydre dimensioner, giver en let, potentielt varme- og korrosionsbestandig, superstærk legering.

"Scandium er den mest potente forstærker til aluminium, "siger NCEMs Radmilović, som også er professor i metallurgi ved universitetet i Beograd, Serbien, og forfatter til Naturmaterialer papir. "Tilføjelse af mindre end en procent scandium kan gøre en dramatisk forskel i mekanisk styrke, brudmodstand, korrosionsbestandighed - alle former for egenskaber. "Fordi scandium diffunderer meget langsomt gennem den faste aluminiummatrix, den faste blanding skal opvarmes til en høj temperatur (kort tid før smeltning), før scandium vil udfælde.

Litium er det letteste af alle metaller (kun hydrogen og helium er lettere) og bringer ikke kun lethed til en aluminiumslegering, men, potentielt, styrke også. Litium diffunderer meget hurtigere end scandium, ved meget lavere temperatur.

"Problemet er, at af sig selv, lithium lever muligvis ikke op til sit løfte, "siger Dahmen, en mangeårig samarbejdspartner med Radmilović. "Tricket er at overbevise lithium om at indtage en nyttig krystallinsk struktur, nemlig L1 ₂ . "

L1 ₂ enhedscelle ligner en ansigtscentreret kubisk celle, blandt de enkleste og mest symmetriske af krystalstrukturer. Atomer indtager hvert hjørne af en imaginær terning og er centreret i terningens seks ansigter; i L1 ₂ struktur, typer af atomer i hjørnerne kan afvige fra dem i midten af ​​ansigterne. For legeringsindeslutninger er det en af ​​de stærkeste og mest stabile strukturer, fordi, som Dahmen forklarer, "når atomer er på plads i L1 ₂ , det er svært for dem at bevæge sig. "

Dahmen krediterer Radmilović med "intuitionen" til at legere både scandium og lithium med aluminium, opvarmning og afkøling af materialet i en bestemt række trin. Denne intuition var baseret på Radmilovićs lange erfaring med de separate egenskaber ved aluminium-lithium og aluminium-scandiumlegeringer og en dyb forståelse af, hvordan de sandsynligvis ville interagere. Han udarbejdede en opskrift på andelen af ​​ingredienser i den indledende smeltning, og hvordan man afkøler og opvarmer dem.

Nøglen til processen var at bruge lithium som en slags katalysator til at tvinge en "nukleation" i skandiet. Efter at de tre metaller er blandet, smeltet, og hurtigt afkølet eller slukket, lithium tjener til at sænke den opvarmning, der er nødvendig for at coax scandium til at danne tætte kernestrukturer - selvom den faste blanding stadig skal opvarmes til 450 grader Celsius (842 Fahrenheit) i 18 timer for at danne disse kerner, lavet af aluminium, lithium, og skandium. Kernerne er i gennemsnit lidt over ni nanometer i diameter, men er ikke ensartede i størrelse.

Dernæst opvarmes legeringen igen, denne gang til 190˚ Celsius (374˚ F) i fire timer. Ved den lavere temperatur er scandiet ubevægeligt; det frit bevægelige lithium danner en skal omkring de skandiumrige kerner, meget som vand i en sky krystalliserer omkring et støvstykke for at lave et snefnug. Skallerne er i gennemsnit omkring 10,5 nanometer i tykkelse, men deres tykkelse er ikke ensartet.

Hvad er bemærkelsesværdigt, selvom, er, at når en kerne er tykkere end gennemsnittet, skallen er tyndere end gennemsnittet, og omvendt:jo mindre kerne, jo hurtigere vokser skallen. Kernestørrelse og skalstørrelse er "antikorreleret", og resultatet er "størrelsesfokuseret". Hele sfærer varierer stadig noget, men forskellene er meget mindre end blandt kernerne alene eller skallerne alene.

Strukturen af ​​kernerne og skallerne indlejret i aluminium virker lige så bemærkelsesværdig. Rent aluminium har selv en ansigtscentreret-kubisk struktur, og denne struktur gentages problemfrit af L1 ₂ struktur af både kernerne og skallerne, perfekt forbundet uden dislokationer ved grænsefladerne mellem kerne, skal, og matrix.

Dahmen siger, "Det er de scandiumrige kerner, der overbeviser litium om at tage den nyttige L1 ₂ struktur."

Deltagelse i eksperiment med teori

Ved hjælp af TEAM -mikroskopet og en særlig billeddannelsesteknik til at se ned på toppen af ​​de almindelige rækker af søjler med atomer, L1 ₂ struktur afslører sig i grupper af sammenlåsende firkanter, med fire søjler med atomer i hjørnerne og fem søjler med atomer i ansigternes opstillede centre.

I rent aluminium, alle prikker har samme lysstyrke. I skallerne og kernerne, imidlertid, hjørnesøjlerne og de ansigtscentrerede søjler adskiller sig i kontrast-de ansigtscentrerede søjler er rent aluminium, men hjørnesøjlerne er blandet. Ved at supplere TEAM-billederne i høj opløsning med data fra andre eksperimentelle teknikker var det muligt at bruge lysstyrke og kontrast til at beregne slags atomer i hver kolonne.

Ved at anvende beregninger af første principper, teammedlemmerne Colin Ophus og Mark Asta var i stand til at modellere virkningen af ​​lithium på solid-state nedbør af scandium, stimulerer en pludselig nukleation, og også for at forstå hvorfor, på grund af de termodynamiske egenskaber af de to metaller, der interagerer med aluminium og med hinanden, bundfaldene er så ensartede og stabile.

Radmilović siger, "Colin og Mark viste, at lithium og scandium kan lide hinanden. De viste også, at ved at bruge aluminiumsøjlerne som standard, vi kan beregne intensiteten af ​​scandium og lithium ved stedets lysstyrke. "I skallerne, hjørnesøjlerne indeholder aluminium og cirka 10 procent lithium. I kernerne, hjørnesøjlerne indeholder alle tre metaller.

Dahmen siger, "I de senere år har der været en hurtig stigning i brugen af ​​'integrativ mikroskopi'-ved hjælp af en række forskellige teknikker såsom højvinklet ringformet mørkfeltbilleddannelse, højopløselig fasekontrast, og energifiltreret billeddannelse og spektroskopi for at angribe et enkelt problem. TEAM -mikroskopet, som er korrigeret for både kromatisk og sfærisk aberration, er unik i sin evne til at udføre alle disse teknikker med høj opløsning. At forstå, hvorfor nanoinkluderinger i aluminium-scandium-lithium er ensartede, er et af de bedste eksempler på behovet for at bruge integreret mikroskopi. "

Så god en legering som aluminium-scandium-lithium er, dets anvendelse kan være begrænset af omkostningerne ved sjældent scandium, i øjeblikket ti gange prisen på guld. Ved at forstå, hvordan legeringen opnår sine bemærkelsesværdige egenskaber, forskerne forventer fuldt ud, at andre systemer med kerneskaludfældninger kan styres af de samme mekanismer, fører til nye former for legeringer med en række ønskelige egenskaber.