Stabilisering af bundfaldsvækst ved korngrænser i legeringer

Materialer anses ofte for at være én fase, men mange tekniske materialer indeholder to eller flere faser, hvilket forbedrer deres egenskaber og ydeevne. Disse tofasede materialer har indeslutninger, kaldet præcipitater, indlejret i mikrostrukturen.

Legeringer, en kombination af to eller flere typer metaller, bruges i mange applikationer, såsom turbiner til jetmotorer og letvægtslegeringer til bilapplikationer, fordi de har meget gode mekaniske egenskaber på grund af de indlejrede bundfald. Den gennemsnitlige bundfaldsstørrelse har dog en tendens til at stige over tid - i en proces kaldet forgrovning - hvilket resulterer i en forringelse af ydeevnen for mikrostrukturer med bundfald på nanoskala.

Forskere ved University of Illinois Urbana-Champaign har identificeret en ny vej til stabilisering af bundfald i nanoskala i legeringer. I en ny undersøgelse viser materialevidenskab og ingeniørprofessor Pascal Bellon, postdoc-forsker Gabriel Bouobda Moladje og deres samarbejdspartnere, at det er muligt at bruge ikke-ligevægtsprocesser til at stoppe præcipitat-grovning, hvilket resulterer i stabile nanostrukturer.

Resultaterne af denne forskning blev for nylig offentliggjort i Physical Review Letters .

"I de sidste to årtier har forskere indset, at det at have indeslutninger i nanoskala i strukturen, som faktisk kan være meget gavnligt for materialet," siger Bellon. "Udfordringen er, at disse små partikler spontant vil vokse sig større."

Tænk på det som at lave pasta:Når olie tilsættes det kogende vand, kan oliedråberne være små, når de først tilsættes og røres, men hvis omrøringen stoppes, vil dråberne kombineres og danne større dråber. Dette er forgrovningsprocessen. "Hvis vi er interesserede i distributionen af ​​små genstande, er vi nødt til at modarbejde denne naturlige tendens til, at tingene gror," forklarer Bellon.

Holdet brugte beregningsmodellering til at undersøge bundfald dannet i domænerne mellem forskellige krystaller af materialet, kaldet korngrænser, når de udsættes for bestråling, en ikke-ligevægtskraft. I et ligevægtsmiljø er kræfterne afbalancerede, og der er ingen nettoændring af materialet. I de fleste applikationer udsættes hårde materialer imidlertid for ikke-ligevægtskræfter som bestråling eller endda omrøring. Derfor er det vigtigt at forstå, hvordan bundfald udvikler sig i sådanne ikke-ligevægtsmiljøer.

"Vi var især interesserede i legeringer, der blev udsat for energetisk partikelbestråling," siger Bellon. "Dette er en situation, der for eksempel sker i materialer, der bruges til nukleare anvendelser. Det er også tilfældet for materialer, der bruges i rummet, hvor de bliver bombarderet af kosmiske stråler. Det, vi specifikt kiggede på, var en modellegering af aluminium og antimon ."

I legeringer af aluminium og antimon ønsker antimon at danne bundfald, ligesom olie ønsker at danne dråber i vand. Forskerne fandt ud af, at når de blev bestrålet, ville der dannes bundfald ved korngrænserne som forventet. Men de fandt også ud af, at i stedet for at gro og fortsætte med at vokse, ville bundfaldet nå en vis størrelse og stoppe. Dette kaldes arresteret groft adfærd og var et uventet resultat.

Denne tilgang kunne anvendes på andre materialesystemer, hvor transport af arter spiller en vigtig rolle, såsom transport af ioniske arter mellem elektroder i batterier. I batterimaterialer kan det være fordelagtigt med små bundfald, da store udfældninger kan generere meget belastning af materialet. I et sådant tilfælde ville undertrykkelsen af ​​forgrovning være fordelagtig.

Efter denne beregningsmæssige forskning planlægger Bellon sammen med UIUC MatSE-professorerne Robert Averback og Marie Charpagne at begynde at udforske eksperimentel validering af de nyligt offentliggjorte resultater. Bellon siger:"Vi er glade for at kombinere modellering, teori og eksperimenter, samtidig med at vi udnytter alle Materials Research Laboratory-værktøjerne til at teste forudsigelserne fra computersimuleringer på et eksperimentelt niveau."

Flere oplysninger: G. F. Bouobda Moladje et al, Konvektion-induceret sammensætningsmønster ved korngrænser i bestrålede legeringer, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.056201

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af University of Illinois Grainger College of Engineering