Nanostructureerde koperlegering rivalen superlegeringen in sterkte en stabiliteit

Onderzoekers van het US Army Research Laboratory (ARL) en Lehigh University hebben een nanogestructureerde koperlegering ontwikkeld die materialen met hoge temperatuur voor ruimtevaart, defensie en industriële toepassingen opnieuw zou kunnen definiëren.

Hun bevindingen, gepubliceerd in het dagboek Wetenschapintroduceer een Cu-TA-LI (koper-tantalum-lithium) legering met uitzonderlijke thermische stabiliteit en mechanische sterkte, waardoor het een van de meest veerkrachtige materialen op basis van koper ooit is gemaakt.

“Dit is geavanceerde wetenschap, het ontwikkelen van een nieuw materiaal dat op unieke wijze de uitstekende geleidbaarheid van Copper combineert met sterkte en duurzaamheid op de schaal van op nikkel gebaseerde superalys,” zei Martin Harmer, de Alcoa Foundation Professor Emeritus van Materials Science and Engineering aan de Lehigh University en een co-auteur van de studie. “Het biedt de industrie en het leger de stichting om nieuwe materialen te creëren voor hyperersonica en krachtige turbinemotoren.”

De ARL- en Lehigh -onderzoekers werkten samen met wetenschappers van de Arizona State University en Louisiana State University om de legering te ontwikkelen, die extreme hitte kan weerstaan ​​zonder significante degradatie.

Koper combineren met een met mijn met teint gestabiliseerde nanostructuur

De doorbraak komt van de vorming van Cu₃Li neerslaat, gestabiliseerd door een ta-rijke atoombilaadschap, een concept Pioniered door de Lehigh -onderzoekers. In tegenstelling tot typische korrelgrenzen die na verloop van tijd migreren bij hoge temperaturen, werkt deze teint als een structurele stabilisator, waarbij de nanokristallijne structuur wordt gehandhaafd, de groei van korrel wordt voorkomen en de prestaties van hoge temperaturen dramatisch verbetert.

De legering heeft zijn vorm onder extreme, langdurige thermische blootstelling en mechanische stress, tegen vervorming, zelfs in de buurt van het smeltpunt, merkte Patrick Cantwell op, een onderzoekswetenschapper aan de Lehigh University en co-auteur van de studie.

Door de veerkracht op hoge temperatuur van op nikkel gebaseerde superalys samen te voegen met koper-wat bekend staat om uitzonderlijke geleidbaarheid-maakt het materiaal de weg vrij voor toepassingen van de volgende generatie, waaronder warmtewisselaars, geavanceerde voortstuwingssystemen en thermische managementoplossingen voor geavanceerde raketten en hypersonische technologieën.

Een nieuwe klasse high-performance materialen

Deze nieuwe Cu-TA-LI-legering biedt een evenwicht van eigenschappen die niet in bestaande materialen worden gevonden:

• Op nikkel gebaseerde superalys (gebruikt in jetmotoren) zijn extreem sterk, maar missen de hoge thermische geleidbaarheid van koperlegeringen.
• Leggen gebaseerde legeringen zijn zeer warmtebestendig maar dicht en moeilijk te produceren.
• Deze Cu-TA-LI-legering combineert de uitzonderlijke warmte en elektrische geleidbaarheid van COPER en blijft sterk en stabiel bij extreme temperaturen.
• Hoewel het geen directe vervanging is voor traditionele superlegeringen in ultrahoge temperatuurtoepassingen, kan het deze aanvullen in technische oplossingen van de volgende generatie.

Hoe de onderzoekers het hebben gemaakt en getest

Het team synthetiseerde de legering met behulp van poedermetallurgie en energieke cryogene frezen, waardoor een fijnschalige nanostructuur wordt gewaarborgd. Ze hebben het vervolgens onderworpen aan:

• 10.000 uur (meer dan een jaar) gloeien bij 800 ° C, die zijn stabiliteit op lange termijn test.
• Geavanceerde microscopietechnieken, onthullend de Cu₃Li neerslagstructuur.
• Creepweerstandsexperimenten, die de duurzaamheid ervan onder extreme omstandigheden bevestigen.
• Computationele modellering met behulp van Density Functional Theory (DFT), die de stabiliserende rol van de Ta Bilayer -teint gevalideerde.

Het US Army Research Laboratory kreeg een Amerikaans octrooi (US 11.975.385 B2) voor de legering, met de nadruk op de strategische betekenis ervan, met name in defensietoepassingen zoals militaire hitte -uitwisselaars, aandrijfsystemen en hypersonische voertuigen.

De wetenschappers zeggen dat verder onderzoek directe metingen van de thermische geleidbaarheid van de legering zal omvatten in vergelijking met nikkelgebaseerde alternatieven, werken om het klaar te maken voor potentiële toepassingen en de ontwikkeling van andere legeringen met hoge temperatuur na een vergelijkbare ontwerpstrategie.

“Dit project is een goed voorbeeld van hoe federale investeringen in fundamentele wetenschap het Amerikaanse leiderschap in materiaaltechnologie stimuleert,” zei Harmer. “Wetenschappelijke ontdekkingen zoals deze zijn de sleutel tot het versterken van de nationale veiligheid en het voeden van industriële innovatie.”