Het ontrafelen van de fundamentele principes van eutectische stolling met behulp van real-time, nanoschaalbeeldvorming

Bij eutectische stolling assembleert een mengsel van twee of meer vaste stoffen zichzelf, waardoor samengestelde microstructuren ontstaan ​​die variëren van geordende lagen tot ingewikkelde doolhofachtige patronen die ten grondslag liggen aan eigenschappen als treksterkte of ductiliteit.

Tot nu toe hebben onderzoekers nog niet begrepen welke omstandigheden ervoor zorgen dat eutectische stoffen bepaalde patronen vormen. Dit is van cruciaal belang voor het ontwerpen van reproduceerbare eutectische composieten van de volgende generatie.

Vastleggen van realtime stolling van een eutectische aluminium-nikkellegering (Al-Al₃Ni) in nanometerresolutie onthulde dat het verhogen van de stollingssnelheid de microstructuur verschuift van onregelmatig en gefacetteerd naar regelmatig en afgerond, volgens een studie onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Michigan, onlangs gepubliceerd in Acta Materialia.

Door gebruik te maken van dit nieuwe inzicht in eutectische vorming kunnen we de microstructuur afstemmen op de materiaalklasse die wordt gebruikt in hogetemperatuurcomponenten in turbines of reactoren.

“Ik ben altijd gefascineerd geweest door patronen in de natuur, zoals sneeuwvlokken, waarvan er geen twee hetzelfde zijn.

“Deze fascinatie voor de manier waarop zulke ogenschijnlijk eenvoudige processen kunnen leiden tot eindeloos rijke, complexe en unieke structuren, motiveert mij om de onderliggende principes erachter te onderzoeken”, aldus Ashwin Shahani, universitair hoofddocent materiaalkunde en -technologie en chemische technologie aan de UM en hoofdauteur van de studie.

“In de materiaalkunde geldt hetzelfde wonder: hoe kunnen kleine veranderingen in de omstandigheden leiden tot dramatisch verschillende microstructuren?”

Om beter te begrijpen hoe eutectische microstructuren worden gevormd, ontwierp het onderzoeksteam een ​​nieuwe in-situ oven bij de synchrotron-bundellijn voor directionele stolling, een techniek waarbij de kristalgroei van de vloeibare naar de vaste fase in een specifieke richting wordt georiënteerd. Het apparaat maakt nauwkeurige controle over de stollingsverwerkingsruimte mogelijk, waardoor gedetailleerde studie van patroonvorming tijdens eutectische stolling mogelijk is.

Om de nanoschaalobservaties te correleren met microschaalfenomenen, combineerden de onderzoekers twee visualisatietechnieken. Optische microscopie legde stolling vast over grote ruimte- en tijdschalen, terwijl synchrotrontransmissie-röntgenmicroscopie nanoschaalinzichten opleverde. De laatste werd uitgevoerd op de full-field X-ray imaging beamline 18-ID bij Brookhaven National Laboratory’s National Synchrotron Light Source II.

Hiermee observeerden ze direct de interactie tussen de vloeistof, aluminium (Al) en nikkel-aluminide (Al₃Ni) kristallen tijdens stolling onder verschillende omstandigheden. De groeisnelheid van Al₃Ni vergeleken met Al – de mate van koppeling genoemd – bepaalde de vorm van de achtergebleven vaste microstructuren.

Wanneer het bijvoorbeeld stolt bij lagere snelheden, zullen de voorste punten van de Al₃Ni groeit voor Al, wat onregelmatige, gefacetteerde groei veroorzaakt. Bij hoge stollingssnelheden, Al₃Ni en Al groeien in hetzelfde tempo, wat resulteert in een ronde, regelmatige groei.

Bij het gieten hangt de stollingssnelheid af van verschillende factoren, waaronder de thermische geleidbaarheid van het gesmolten materiaal en de snelheid van warmteonttrekking.

“Onze unieke experimenten en realtime observaties helpen de grote diversiteit aan patronen te verklaren die ontstaan ​​door de stolling van eutectica die stijve, intermetallische fasen bevatten. Deze inzichten zijn essentieel om simulaties van materiaalsynthese te informeren en valideren”, aldus Paul Chao, een doctoraatsstudent in materiaalkunde en -techniek aan de UM, die in 2022 een heel jaar als resident researcher werkte bij de synchrotron-bundellijn en eerste auteur van de studie was.

“Onze experimenten zijn een voorbeeld van hoe uitstekend mentorschap aan de Universiteit van Michigan, partnerschap met Brookhaven National Laboratory en internationale samenwerking van cruciaal belang zijn voor baanbrekend onderzoek dat fundamentele wetenschappelijke raadsels kan oplossen.”

Deze bevinding is van groot belang voor een breed spectrum aan eutectische systemen, waaronder systemen die metaalachtig, semi-metaalachtig en organisch zijn.

“Het manipuleren van deze patronen is meer dan alleen een technische bezigheid. Het is een manier om fundamentele principes te ontrafelen en ze op zinvolle manieren toe te passen, van het verbeteren van de sterkte van materialen tot het pionieren van nieuwe benaderingen in materiaalontwerp”, aldus Shahani.