Opdagelse af uordnede nanolag i intermetalliske legeringer

Intermetalliske legeringer har potentielt høj styrke i et miljø med høj temperatur. Men de lider generelt af dårlig duktilitet ved omgivende og lave temperaturer, derfor begrænser deres applikationer inden for rumfart og andre ingeniørfelter. Endnu, et forskerhold ledet af forskere ved City University of Hong Kong (CityU) har for nylig opdaget de uordnede nanoskala lag ved korngrænser i de bestilte intermetalliske legeringer. Nanolagene kan ikke kun løse den uforenelige konflikt mellem styrke og duktilitet effektivt, men bevar også legeringens styrke med en fremragende termisk stabilitet ved høje temperaturer. Design af lignende nanolag kan åbne en vej til design af nye konstruktionsmaterialer med optimale legeringsegenskaber.

Denne forskning blev ledet af professor Liu Chain-tsuan, CityU's University Distinguished Professor og Senior Fellow ved Hong Kong Institute for Advanced Study (HKIAS). Resultaterne blev netop offentliggjort i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Videnskab , med titlen "Ultrahøjstyrke og duktile supergitterlegeringer med forstyrrede grænseflader i nanoskala."

Ligesom metaller, den indre struktur af intermetalliske legeringer er lavet af individuelle krystallinske områder kendt som "korn". Den sædvanlige skrøbelighed i intermetalliske legeringer tilskrives generelt revnen langs deres korngrænser under trækdeformation. Tilføjelse af elementet bor til de intermetalliske legeringer har været en af ​​de traditionelle metoder til at overvinde skørheden. Professor Liu var faktisk en af ​​dem, der studerede denne tilgang for 30 år siden. På det tidspunkt, han fandt ud af, at tilføjelsen af ​​bor til binære intermetalliske legeringer (udgør to elementer, ligesom Ni ₃ Al) forbedrer korngrænsesammenhængskraften, dermed forbedre deres generelle duktilitet.

Et overraskende eksperimentelt resultat

I de seneste år, Professor Liu har opnået mange store fremskridt med at udvikle intermetalliske legeringer i bulk (intermetallisk legering kaldes også supergitterlegering, konstrueret med lang rækkevidde, atomisk tæt pakket ordnet struktur). Disse materialer med gode styrker er meget attraktive til konstruktioner med høj temperatur, men generelt lider af alvorlig skørhed ved omgivelsestemperaturer, samt hurtig kornfor grovning (dvs. vækst i kornstørrelse) og blødgøring ved høje temperaturer. Så denne gang, Professor Liu og hans team har udviklet den nye "interfacial nanoskala disordering" -strategi i multi-element intermetalliske legeringer, hvilket muliggør den høje styrke, stor duktilitet ved stuetemperatur og også fremragende termisk stabilitet ved forhøjede temperaturer.

"Det, vi oprindeligt forsøgte at gøre, er at forbedre kohornsgrænsesammenhængskraften ved at optimere mængden af ​​bor, "sagde Dr. Yang Tao, en postdoc -stipendiat ved CityU's Institut for Maskinteknik (MNE) og IAS, som også er en af ​​de første forfattere af papiret. "Vi forventede, at da vi øgede mængden af ​​bor, legeringen ville bevare ultrahøj styrke på grund af dens bestanddele med flere elementer. "

Ifølge konventionel visdom, tilføjelse af spormængder (0,1 til 0,5 atomprocent (ved. %)) af bor forbedrer deres trækformbarhed væsentligt ved at øge korngrænsekohesionen. Når der blev tilsat store mængder bor, denne traditionelle tilgang ville ikke fungere. "Men da vi tilføjede for store mængder bor til de nuværende multikomponentintermetalliske legeringer, vi opnåede helt andre resultater. På et tidspunkt spekulerede jeg på, om der gik noget galt under forsøgene, "Dr. Yang huskede.

Til holdets overraskelse, når bor øges til så højt som 1,5 til 2,5 kl. %, disse bor-dopede legeringer blev meget stærke, men meget seje. Eksperimentresultater afslørede, at de intermetalliske legeringer med 2 på. % af bor har en ultrahøj flydestyrke på 1,6 gigapascal med trækstyrke på 25% ved omgivelsestemperaturer.

Ved at studere gennem forskellige transmissionselektronmikroskopier, teamet opdagede, at når koncentrationen af ​​bor varierede fra 1,5 til 2,5 kl. %, et særpræget nanolag blev dannet mellem tilstødende bestilte korn. Hvert af kornene blev kapslet i dette ultratynde nanolag med en tykkelse på ca. 5 nm. Og nanolaget selv har en uordnet atomstruktur. "Dette særlige fænomen var aldrig blevet opdaget og rapporteret før, "sagde professor Liu.

Deres trækprøver viste, at nanolaget fungerer som en bufferzone mellem tilstødende korn, som muliggør plastisk deformation ved korngrænser, hvilket resulterer i den store trækformbarhed ved et ultrahøjt flydestyrke.

Hvorfor dannes det uordnede nanolag?

Teamet fandt ud af, at den yderligere stigning i bor betydeligt har forbedret "multi-element co-segregation"-opdelingen af ​​flere elementer langs korngrænserne. Med den avancerede tredimensionale atomprobe tomografi (3-D APT) på CityU, den eneste af sin slags i Hong Kong og det sydlige Kina, de observerede en høj koncentration af bor, jern- og koboltatomer i nanolagene. I modsætning, nikkelen, aluminium og titanium var stort set udtømt der. Denne unikke elementære partitionering, som resultat, inducerede den nanoskala -forstyrrelse i nanolaget, som effektivt undertrykker brudene langs korngrænser og forbedrer duktiliteten.

I øvrigt, ved vurdering af legeringens termiske respons, teamet fandt ud af, at stigningen i kornstørrelse var ubetydelig, selv efter 120 timers glødning ved en høj temperatur på 1050 ° C. Dette overraskede holdet igen, fordi de fleste af de strukturelle materialer normalt viser den hurtige vækst af kornstørrelse ved høje temperaturer, hvilket resulterer i styrke falder hurtigt.

En ny vej til udvikling af strukturmaterialer til brug ved høj temperatur

De mente, at nanolaget er afgørende for at undertrykke vækst i kornstørrelse og opretholde dets styrke ved høj temperatur. Og termisk stabilitet af det uordnede nanolag vil gøre denne type legering velegnet til strukturelle applikationer ved høje temperaturer.

"Opdagelsen af ​​dette forstyrrede nanolag i legeringen vil have betydning for udviklingen af ​​materialer med høj styrke i fremtiden. Især denne fremgangsmåde kan anvendes på konstruktionsmaterialer til applikationer ved høje temperaturindstillinger som luftfart, bil, atomkraft, og kemiteknik, "sagde professor Liu.