Eerste 3D-visualisatie van een aluminium nanocomposiet voor de auto-industrie

Door auto’s te produceren met sterke, lichte aluminiumlegeringen in plaats van staal, zou het brandstofverbruik kunnen worden verbeterd en zou de actieradius van elektrische voertuigen kunnen worden vergroot. De instabiliteit van het materiaal bij hoge temperaturen heeft echter tot nu toe de brede toepassing van deze legeringen tegengehouden.

Door minuscule, versterkende deeltjes titaniumcarbide (TiC) direct in gesmolten aluminium te creëren, ontstaat een sterker, temperatuurbestendiger materiaal op basis van aluminium, een zogenaamd metaalmatrixnanocomposiet.

Tot op heden begrijpen onderzoekers nog niet hoe deze nanodeeltjes ontstaan ​​en hoe ze interacteren met andere onderdelen van de microstructuur. Dit bemoeilijkt de productie van het materiaal op industriële schaal.

Onderzoekers van de University of Michigan hebben een unieke hoge-resolutie 3D röntgentechniek gebruikt om een ​​eerste blik te werpen op hoe nanodeeltjes worden gevormd, waar ze zich bevinden en hoe ze verdere stolling van het gesmolten metaal vergemakkelijken. Een paper over het werk zal worden gepubliceerd gepubliceerd in de septembereditie van Acta Materialia.

“De meeste metalen beginnen hun leven in de vloeibare toestand. Hoe ze van vloeibaar naar vast veranderen, bepaalt uiteindelijk hun microstructuren en dus hun eigenschappen en toepassingen”, aldus Ashwin Shahani, universitair hoofddocent materiaalkunde en -techniek en chemische technologie aan de UM en mede-corresponderend auteur van de studie.

“Dankzij het onderzoek konden we precies begrijpen hoe de nanodeeltjes interacteren met secundaire fasen bij het gieten, wat de afgelopen halve eeuw een grote uitdaging is geweest.”

Omdat nanodeeltjes kleiner zijn dan 100 nanometer, ofwel een tienduizendste van een millimeter, gebruikten de onderzoekers een krachtige beeldvormingstechniek genaamd synchrotron-gebaseerde röntgennanatomografie om de microstructuur van metaal op niet-destructieve wijze in 3D te visualiseren. Dit is niet mogelijk met conventionele beeldvormingsmethoden.

Om de visualisaties te verkrijgen, creëerden de onderzoekers een aluminiumcomposiet versterkt met titaniumcarbide (TiC). Dat omvatte een flux-assisted reactie waarin een mengsel van koolstofpoeder en titaniumhoudend zout reageerde met een aluminiumsmelt.

3D-reconstructies onthulden een onverwachte diversiteit aan titaniumaluminide (Al₃Ti) intermetallische structuren, waaronder een die direct gevormd is op TiC-nanodeeltjes groter dan 200 nm in diameter. In dat geval is de Al₃Ti-kristallen groeiden uit tot een ongebruikelijke orthogonale plaatstructuur. Ondertussen splitsten de TiC-nanodeeltjes kleiner dan de drempel van 200 nanometer de Al₃Ti-intermetallische platen vormen tijdens het stollen vertakte structuren.

Naast beeldvorming gebruikten de onderzoekers faseveldsimulaties om ruimtelijk-temporele ‘gaten’ in de experimenten op te vullen en een mechanisme voor de vorming van microstructuren voor te stellen.

“We hebben nu bewijs dat de nanodeeltjes zich lang vóór de intermetallische verbindingen vormen, en niet andersom. Dat heeft belangrijke gevolgen voor de nucleatie van de nanodeeltjes in de eerste plaats”, aldus Shahani.

Met deze resultaten in handen kunnen industriële partners nu TiC en Al begeleiden₃Ti-vorming bij de productie van aluminiumcomposieten op grote schaal, waarbij stollingspaden of legeringschemie worden aangepast om de gewenste microstructuur en de bijbehorende eigenschappen te verkrijgen.

“We weten al lang dat nanodeeltjes de prestaties van metaalmatrixcomposieten kunnen verbeteren, maar de materialen konden niet op grote schaal worden geproduceerd. We begrijpen nu de vormingsmechanismen waarmee onze industriële partners het proces voor lichtgewichttoepassingen kunnen optimaliseren”, aldus Alan Taub, een Robert H. Lurie hoogleraar Engineering en directeur van het Electric Vehicle Center aan de UM en mede-corresponderende auteur van de studie.