Nieuwe techniek om thermisch stabiele legeringen met hoge entropie te maken

Verbeterde thermische stabiliteit in de bestudeerde legeringen door toevoeging van kobalt (0, 15 en 30 atoomprocent (at.%)). a–c Typische SEM-microfoto’s van nanodeeltjes in de drie chemisch complexe legeringen die 240 uur bij 1000 ° C zijn gerijpt, en hun gemiddelde diameter. d-f De evolutie van de gemiddelde grootte van nanodeeltjes in de drie chemisch complexe legeringen die zijn verouderd bij 800, 900 en 1000 ° C gedurende verschillende tijdsduren (24 uur, 72 uur, 168 uur en 240 uur). Krediet: Xiao, B. et al, Natuurcommunicatie (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32620-6

Nanodeeltjes zijn gebruikt om zeer sterke materialen te ontwikkelen voor structurele toepassingen. Maar deze nanodeeltjes zijn vaak thermisch onstabiel, wat leidt tot snelle vergroving in een omgeving met hoge temperaturen.

Het laatste onderzoek onder leiding van materiaalwetenschappers van de City University of Hong Kong (CityU) heeft uitgewezen dat het aanpassen van de concentratie van kobalt in legeringen met hoge entropie (ook wel chemisch complexe legeringen genoemd) kan voorkomen dat nanodeeltjes snel grover worden bij hoge temperaturen. Deze nieuwe stabiliserende strategie opent een nieuwe weg naar het ontwerpen van nieuwe thermisch stabiele chemisch complexe legeringen voor verschillende technische gebieden in de toekomst.

Nanodeeltjesversterkende technologie – legeringen versterken door nanodeeltjes toe te voegen aan het legeringsproces – wordt beschouwd als een krachtige strategie om materialen te creëren met unieke structurele en functionele eigenschappen. Dit wordt op grote schaal toegepast om zeer sterke materialen te innoveren, zoals geavanceerde aluminiumlegeringen, staalsoorten en superlegeringen.

Maar deze fijne deeltjes op nanoschaal hebben een slechte thermische stabiliteit en zijn vatbaar voor snelle vergroving bij hoge temperaturen, wat het draagvermogen van de gastheermaterialen drastisch vermindert en bijgevolg leidt tot hun breuk of andere catastrofale storingen.

Om dit obstakel te overwinnen, heeft een onderzoeksteam onder leiding van materiaalwetenschappers van CityU onlangs onthuld dat het aanpassen van de kobaltconcentratie het “trage roosterdiffusie” -effect van legeringen met hoge entropie op een kwantitatieve manier controleerbaar kan regelen, waardoor wordt voorkomen dat nanodeeltjes snel grof worden bij hoge temperaturen tot 1000°C.

“Onze bevindingen effenen een zeer effectief pad voor het doelgerichte ontwerp van hoogwaardige legeringen met uitstekende thermische en mechanische eigenschappen voor structurele toepassingen bij hoge temperaturen”, zei Dr. Yang Tao van de afdeling Materials Science and Engineering (MSE) van CityU, die de studie leidde.

De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie onder de titel “Het bereiken van thermisch stabiele nanodeeltjes in chemisch complexe legeringen via regelbare trage roosterdiffusie.”

Berekende belangrijkste interdiffusiecoëfficiënten van aluminium (Al), kobalt (Co), chroom (Cr), ijzer (Fe) en titanium (Ti) elementen in de Ni59,9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0.1 (at.%) legering. a–c 800 °C, 900 °C en 1000 °C. d–f De variaties van de verhouding van interdiffusiecoëfficiënten door verhoging van het kobaltgehalte bij 800 °C, 900 °C en 1000 °C. Krediet: Xiao, B. et al, Natuurcommunicatie (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32620-6

Het trage roosterdiffusie-effect betekent dat de diffusie van individuele elementen in legeringen met een hogere configuratie-entropie langzamer is dan die met een lagere configuratie-entropie. Dit kan mogelijk verschillende legeringen met een hoge entropie een opmerkelijke thermische stabiliteit geven. Maar het onderliggende mechanisme van het trage roosterdiffusie-effect is nog onbekend.

In deze studie ontdekte het onderzoeksteam, door een combinatie van verschillende complementaire experimentele technieken en theoretische simulaties, dat kobalt effectief een uniek traag roosterdiffusie-effect kan veroorzaken in het nikkel-kobalt-ijzer-chroom-aluminium-titanium (NiCoFeCrAlTi) legeringssysteem door het verminderen van de interdiffusiecoëfficiënt (een parameter om atoommobiliteit in een materiaal te beschrijven) van andere elementen. Ze ontdekten dat verhoogde kobaltconcentraties de gemiddelde deeltjesgrootte aanzienlijk kunnen verkleinen en de thermische stabiliteit van deze nanodeeltjes verder kunnen verbeteren.

Bovendien leidde het afstemmen van de kobaltconcentratie tot een significante verlaging van de interdiffusiecoëfficiënten van alle belangrijke constituties van legeringen met hoge entropie, met name aluminium, bij 800°C.

De beheersbare trage roosterdiffusiestrategie die door het onderzoeksteam is ontwikkeld, kan ultrastabiele nanostructuren bereiken in legeringssystemen met hoge entropie bij 800 tot 1000 ° C.

“We ontdekten een nieuw mechanisme voor het stabiliseren van nanodeeltjes dat duidelijk verschilt van de conventionele wijsheid dat stabilisatie van nanodeeltjes wordt bereikt door vuurvaste elementen toe te voegen, zoals rhenium”, legt Dr. Yang uit.

“Deze nieuwe strategie kan de ontwikkeling van nieuwe chemisch complexe legeringen met superieure microstructuurstabiliteit verder begeleiden en mogelijk worden toegepast op andere metaallegeringen. Dit maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van sterke legeringen met een hoge entropie van de volgende generatie die kunnen worden gebruikt in een extreme , omgeving met hoge temperaturen in verschillende technische gebieden, zoals lucht- en ruimtevaart, auto-ontwerp en nucleaire engineering, “zei hij.