Stabiliseren van neerslaggroei bij korrelgrenzen in legeringen

Materialen worden vaak als één fase beschouwd, maar veel technische materialen bevatten twee of meer fasen, waardoor hun eigenschappen en prestaties verbeteren. Deze tweefasige materialen hebben insluitsels, precipitaten genaamd, ingebed in de microstructuur.

Legeringen, een combinatie van twee of meer soorten metalen, worden in veel toepassingen gebruikt, zoals turbines voor straalmotoren en lichtgewicht legeringen voor automobieltoepassingen, omdat ze zeer goede mechanische eigenschappen hebben dankzij die ingebedde neerslagen. De gemiddelde neerslaggrootte neigt echter in de loop van de tijd toe te nemen – in een proces dat verruwing wordt genoemd – wat resulteert in een verslechtering van de prestaties van microstructuren met neerslagen op nanoschaal.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois, Urbana-Champaign, hebben een nieuwe weg gevonden om de neerslagen op nanoschaal in legeringen te stabiliseren. In een nieuwe studie tonen professor materiaalkunde en engineering Pascal Bellon, postdoctoraal onderzoeker Gabriel Bouobda Moladje en hun medewerkers aan dat het mogelijk is om niet-evenwichtsprocessen te gebruiken om precipitaatverruwing te stoppen, wat resulteert in stabiele nanostructuren.

De resultaten van dit onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven.

“In de afgelopen twee decennia hebben onderzoekers zich gerealiseerd dat het hebben van insluitsels op nanoschaal in de structuur zeer gunstig kan zijn voor het materiaal”, zegt Bellon. “De uitdaging is dat deze kleine deeltjes spontaan groter willen worden.”

Zie het als het maken van pasta: wanneer olie aan het kokende water wordt toegevoegd, kunnen de oliedruppels klein zijn wanneer ze voor het eerst worden toegevoegd en geroerd, maar als het roeren wordt gestopt, zullen de druppeltjes zich samenvoegen om grotere druppels te vormen. Dit is het verruwingsproces. “Als we geïnteresseerd zijn in de verspreiding van kleinschalige objecten, moeten we deze natuurlijke neiging tot verruwing tegengaan”, legt Bellon uit.

Het team gebruikte computationele modellering om precipitaten te onderzoeken die werden gevormd op de domeinen tussen verschillende kristallen van het materiaal, korrelgrenzen genoemd, wanneer ze werden blootgesteld aan bestraling, een niet-evenwichtskracht. In een evenwichtsomgeving zijn krachten in evenwicht en is er geen netto verandering in het materiaal. In de meeste toepassingen worden harde materialen echter blootgesteld aan niet-evenwichtskrachten zoals bestraling of zelfs roeren. Daarom is het belangrijk om te begrijpen hoe neerslag zich ontwikkelt in dergelijke onevenwichtige omgevingen.

“We waren vooral geïnteresseerd in legeringen die werden blootgesteld aan energetische deeltjesbestraling”, zegt Bellon. “Dit is een situatie die zich bijvoorbeeld voordoet bij materialen die worden gebruikt voor nucleaire toepassingen. Het is ook het geval bij materialen die in de ruimte worden gebruikt, waar ze worden gebombardeerd door kosmische straling. Waar we specifiek naar keken, was een modellegering van aluminium en antimoon .”

In legeringen van aluminium en antimoon wil antimoon neerslagen vormen, zoals olie druppeltjes in water wil vormen. De onderzoekers ontdekten dat bij bestraling zich zoals verwacht precipitaten zouden vormen aan de korrelgrenzen. Maar ze ontdekten ook dat in plaats van grover te worden en te blijven groeien, de neerslag een bepaalde grootte zou bereiken en zou stoppen. Dit wordt gestopt verruwingsgedrag genoemd en was een onverwacht resultaat.

Deze benadering zou kunnen worden toegepast op andere materiaalsystemen waar het transport van soorten een belangrijke rol speelt, zoals het transport van ionische soorten tussen elektroden in batterijen. Bij batterijmaterialen kan het voordelig zijn om kleine neerslagen te hebben, aangezien grote neerslagen veel spanning op het materiaal kunnen veroorzaken. In dat geval zou het onderdrukken van verruwing gunstig zijn.

Na dit computationele onderzoek is Bellon, samen met UIUC MatSE-professoren Robert Averback en Marie Charpagne, van plan om experimentele validatie van de onlangs gepubliceerde resultaten te gaan onderzoeken. Bellon zegt: “We zijn verheugd om modellering, theorie en experimenten te combineren, terwijl we profiteren van alle Materials Research Laboratory-tools, om de voorspellingen van computersimulaties op experimenteel niveau te testen.”