Ontdekking van ongeordende nanolagen in intermetallische legeringen

Intermetallische legeringen hebben mogelijk een hoge sterkte in een omgeving met hoge temperaturen. Maar ze hebben over het algemeen een slechte ductiliteit bij omgevingstemperaturen en lage temperaturen, waardoor hun toepassingen in de ruimtevaart en andere technische gebieden worden beperkt. Toch heeft een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de City University of Hong Kong (CityU) onlangs de ongeordende nanoschaallagen bij korrelgrenzen in de geordende intermetallische legeringen ontdekt. De nanolagen kunnen niet alleen het onverenigbare conflict tussen sterkte en ductiliteit effectief oplossen, maar ook de sterkte van de legering behouden met een uitstekende thermische stabiliteit bij hoge temperaturen. Het ontwerpen van vergelijkbare nanolagen kan een weg openen voor het ontwerpen van nieuwe structurele materialen met optimale legeringseigenschappen.

Dit onderzoek werd geleid door Professor Liu Chain-tsuan, CityU’s University Distinguished Professor en Senior Fellow van het Hong Kong Institute for Advanced Study (HKIAS). De bevindingen zijn net gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Wetenschap, getiteld “Ultrahoge sterkte en ductiele superroosterlegeringen met ongeordende nanoschaalinterfaces.”

Net als metalen is de binnenstructuur van intermetallische legeringen gemaakt van individuele kristallijne gebieden die bekend staan ​​als ‘korrels’. De gebruikelijke brosheid in intermetallische legeringen wordt in het algemeen toegeschreven aan het scheuren langs hun korrelgrenzen tijdens trekvervorming. Het toevoegen van het element boor aan de intermetallische legeringen is een van de traditionele benaderingen om de broosheid te overwinnen. Professor Liu was eigenlijk een van degenen die deze aanpak 30 jaar geleden bestudeerden. Op dat moment ontdekte hij dat de toevoeging van boor aan binaire intermetallische legeringen (die twee elementen vormen, zoals Ni₃Al) verbetert de cohesie van de korrelgrens en verbetert daarmee hun algehele ductiliteit.

Een verrassend experimenteel resultaat

In de afgelopen jaren heeft professor Liu veel grote vooruitgang geboekt bij het ontwikkelen van bulk intermetallische legeringen (intermetallische legering wordt ook wel superroosterlegering genoemd, geconstrueerd met een atomair dicht opeengepakte geordende structuur met een groot bereik). Deze materialen met goede sterkte zijn zeer aantrekkelijk voor structurele toepassingen bij hoge temperaturen, maar lijden in het algemeen aan ernstige broosheid bij omgevingstemperaturen, evenals snelle korrelvergroting (dwz groei in korrelgrootte) en verzachting bij hoge temperaturen. Dus deze keer hebben professor Liu en zijn team de nieuwe “interfaciale nanoschaal desordering” -strategie ontwikkeld in intermetallische legeringen met meerdere elementen, die de hoge sterkte, grote ductiliteit bij kamertemperatuur en ook uitstekende thermische stabiliteit bij verhoogde temperaturen mogelijk maken.

(A) Atoomkaarten gereconstrueerd met 3D-APT tonen de verdeling van elk element. IJzer (Fe), kobalt (Co) en boor (B) worden verrijkt (donkerder van kleur) bij de nanolaag, terwijl nikkel (Ni), aluminium (Al) en titanium (Ti) overeenkomstig worden uitgeput (lichter van kleur) . (B) en (C) laten ook dezelfde resultaten zien. Credit: Wetenschap DOI: 10.1126 / science.abb6830

“Wat we oorspronkelijk probeerden te doen, is de cohesie van de korrelgrens te verbeteren door de hoeveelheid boor te optimaliseren”, zegt dr.Yang Tao, een postdoc-onderzoeker bij de afdeling Werktuigbouwkunde van CityU (INE) en IAS, die ook een van de co-eerste auteurs van het papier. “We hadden verwacht dat de legering, naarmate we de hoeveelheid boor verhoogden, ultrahoge sterkte zou behouden vanwege de bestanddelen met meerdere elementen.”

Volgens conventionele wijsheid verbetert het toevoegen van sporenhoeveelheden (0,1 tot 0,5 atoomprocent (at.%)) Boor aanzienlijk hun trekvervormbaarheid door de korrelgrens cohesie te vergroten. Als er te veel boor werd toegevoegd, zou deze traditionele aanpak niet werken. “Maar toen we overmatige hoeveelheden boor aan de huidige multicomponenten intermetallische legeringen toevoegden, bereikten we totaal andere resultaten. Op een gegeven moment vroeg ik me af of er tijdens de experimenten iets misging”, herinnert Dr. Yang zich.

Tot verbazing van het team, bij het verhogen van boor tot wel 1,5 tot 2,5 bij. % werden deze met borium gedoteerde legeringen zeer sterk maar zeer taai. Experimentresultaten lieten zien dat de intermetallische legeringen met 2 at. % boor heeft een ultrahoge vloeigrens van 1,6 gigapascal met een trekvervormbaarheid van 25% bij omgevingstemperaturen.

Door middel van verschillende transmissie-elektronenmicroscopieën, ontdekte het team dat wanneer de concentratie van boor varieerde van 1,5 tot 2,5 at. %, werd een onderscheidende nanolaag gevormd tussen aangrenzende geordende korrels. Elk van de korrels was ingekapseld in deze ultradunne nanolaag van ongeveer 5 nm dik. En de nanolaag zelf heeft een ongeordende atomaire structuur. ‘Dit speciale fenomeen was nog nooit eerder ontdekt en gerapporteerd’, zei professor Liu.

Hun trekproeven toonden aan dat de nanolaag dient als bufferzone tussen aangrenzende korrels, wat plastische vervorming bij korrelgrenzen mogelijk maakt, wat resulteert in de grote trek-ductiliteit bij een ultrahoge rekgrens.

Deze afbeeldingen suggereren dat de legering (NDI-SM) een superieure synergetische sterkte-ductiliteit heeft bereikt bij omgevingstemperatuur en buitengewone hittebestendigheid bij verhoogde temperaturen. Credit: Wetenschap DOI: 10.1126 / science.abb6830

Waarom wordt de ongeordende nanolaag gevormd?

Het team ontdekte dat de verdere toename van boor de “multi-element co-segregation” – de verdeling van meerdere elementen langs de korrelgrenzen aanzienlijk heeft verbeterd. Met de geavanceerde driedimensionale atoomsondetomografie (3-D APT) bij CityU, de enige in zijn soort in Hong Kong en Zuid-China, observeerden ze een hoge concentratie aan boor-, ijzer- en kobaltatomen in de nanolagen. Daarentegen waren het nikkel, aluminium en titanium daar grotendeels uitgeput. Deze unieke elementaire verdeling veroorzaakte als gevolg dat de nanoschaal desorptie binnen de nanolaag, die de breuken langs korrelgrenzen effectief onderdrukt en de ductiliteit verbetert.

Bovendien ontdekte het team bij het evalueren van de thermische respons van de legering dat de toename in korrelgrootte verwaarloosbaar was, zelfs na 120 uur gloeien bij een hoge temperatuur van 1050 ° C. Dit verraste het team opnieuw omdat de meeste structurele materialen meestal de snelle groei van de korrelgrootte bij hoge temperatuur vertonen, waardoor de sterkte snel afneemt.

Een nieuw pad voor het ontwikkelen van structuurmaterialen voor gebruik bij hoge temperaturen

Ze geloofden dat de nanolaag cruciaal is bij het onderdrukken van groei in korrelgrootte en het behoud van zijn sterkte bij hoge temperatuur. En de thermische stabiliteit van de ongeordende nanolaag zal dit type legering geschikt maken voor structurele toepassingen bij hoge temperaturen.

“De ontdekking van deze ongeordende nanolaag in de legering zal in de toekomst van grote invloed zijn op de ontwikkeling van zeer sterke materialen. Deze benadering kan met name worden toegepast op structurele materialen voor toepassingen in omgevingen met hoge temperaturen, zoals ruimtevaart, auto-industrie, kernenergie, en chemische technologie, “zei professor Liu.