Optimering af legeringsmaterialer:Diffusionsprocesser i nanopartikler afkodet

aluminiumslegeringer har unikke materialeegenskaber og er uundværlige materialer i flyfremstilling og rumteknologi. Ved hjælp af højopløsnings elektrontomografi, forskere ved TU Graz har for første gang afkodet mekanismer, der er afgørende for at forstå disse egenskaber. Forskningsresultaterne er for nylig blevet offentliggjort i Naturmaterialer .

Nanostrukturer, der er ansvarlige for materialekvalitet

Legeringselementer som scandium og zirkon tilføjes til aluminiumsmatrixen for at forbedre styrken, korrosionsbestandighed og svejsbarhed af aluminiumslegeringer. Efter yderligere behandling, såkaldte nano-præcipitater, er dannet. Det er små, runde partikler, der kun er få nanometer store. Deres form, atomstruktur og scandium- og zirkonatomernes 'kamp' om den 'bedste plads' i krystalgitteret er afgørende for materialets egenskaber og anvendelighed.

Forskerne analyserede disse strukturer ved hjælp af det østrigske Scanning Transmission Electron Microscope (ASTEM) ved Graz Center for Electron Microscopy (ZFE). Enheden kan producere højopløselige elementkortlægninger af tredimensionelle strukturer. "Den tomografiske analyse gav et billede, som overraskende, kunne ikke fortolkes i henhold til det tidligere vidensniveau, " sagde Gerald Kothleitner, leder af arbejdsgruppen for analytisk transmissionselektronmikroskopi ved TU Graz' Institut for Elektronmikroskopi og Nanoanalyse. "Vi opdagede anomalier i de genererede kerne-skal strukturer. På den ene side, vi fandt større mængder aluminium i nano-præcipitaterne, end vi havde antaget. På den anden side, vi opdagede en zirkonberiget kerne samt kantzoner mellem kernen og skallen med en næsten perfekt sammensætning og krystalstruktur."

Kvantemekanik og Monte Carlo-metoder giver svar

For at spore dette fænomen med selvorganisering, forskere fra Institut for Elektronmikroskopi og Nanoanalyse (FELMI) og Institut for Materialevidenskab, Joining and Forming (IMAT) faldt tilbage på kvantemekaniske beregninger og simuleringer. De fandt ud af, at systemet adskiller sig selv og danner atomare smalle kanaler, hvori de fremmede atomer kan diffundere. Atomer, der støder på hinanden, blokerer disse kanaler og stabiliserer systemet. Doktorand Angelina Orthacker giver en grafisk forklaring på atomernes bevægelse:"Diffusionsprocessen kan sammenlignes med dannelsen af ​​en nødkorridor i et byområde med tæt trafik. Trafikken formår at organisere sig på et splitsekund for at muliggøre den frit flow af udrykningskøretøjer. Men det kræver kun et par enkelte køretøjer at blokere nødkorridoren, dermed stopper den i at virke." Og det er præcis den samme adfærd i det indre af aluminiumslegeringer. "Nødkorridorer" fremmer materialetransporten af ​​scandium- og zirkonatomer og selv lette forstyrrelser stopper denne transportreaktion. Forskerholdet antager, at den nye resultater om disse diffusionsprocesser spiller også en rolle i andre flerkomponentlegeringer, og deres egenskaber kan nu justeres endnu mere.