Противоречивый способ изготовления более прочных сплавов

9 февраля 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Келли Оукс, Норвежский университет науки и технологий

Люди смешивали металлы для создания более полезных материалов на протяжении тысячелетий. Бронзовый век, начавшийся около 3300 г. до н. э., характеризовался использованием бронзы, сплава меди и олова, который прочнее любого металла по отдельности.

Теперь исследователи из NTNU обнаружили противоречивый способ сделать гораздо более недавнее изобретение — нанозернистые сплавы с наноразмерными зернами легирующего элемента — еще прочнее.

Алюминий — это металл, который широко используется для изготовления компонентов в аэрокосмической, транспортной и строительной отраслях, отчасти потому, что он легкий, но прочный. Сплавы алюминия сохраняют эти качества, но прочнее, чем сам алюминий.

«Если бы это был чистый алюминий, то, конечно, он был бы недостаточно прочным», — говорит Яньцзюнь Ли, профессор физической металлургии кафедры материаловедения и инженерии NTNU.

Но в последние годы исследователи, пытающиеся создать нанозернистые сплавы алюминия, содержащие медь, столкнулись с проблемой: атомы меди имеют тенденцию слипаться вместе, образуя крупные частицы с алюминием внутри материала, особенно при температурах выше 100°C.

Когда медь больше не распределяется равномерно по материалу, сплав становится слабее.

«Они накапливаются вместе, образуя крупные частицы», — говорит Ли. «Эти частицы, когда они большие, могут фактически снизить прочность».

Атомы меди могут перемещаться сквозь материал, если существует так называемая вакансия — пространство, не занятое атомами, — в которое они могут перемещаться.

Поэтому исследователи пытались минимизировать количество вакансий, чтобы уменьшить способность атомов двигаться.

«Если нет вакансий, то, конечно, атомы не могут двигаться», — говорит Ли.

Но теперь Ли и его коллеги нашли способ увеличить количество вакансий и одновременно повысить прочность получаемого сплава.

В работе, опубликованной в журнале Nature Communications, исследователи добавили к алюминию атомы скандия, а также меди, одновременно увеличив количество вакансий.

Атомы скандия и меди вместе с вакансиями образовывали структуры, которые не могли легко перемещаться сквозь материал.

«Вместе они очень стабильны», — говорит Ли. «Любому из них становится труднее двигаться».

Благодаря новым структурам скандия-меди крупные частицы алюминия-меди, которые могли образоваться ранее, были полностью подавлены, даже когда сплав нагревался до 200°C в течение 24 часов.

Эта стабильность означает, что атомы меди остаются равномерно распределенными по всему материалу, а сплав сохраняет дополнительную прочность.

Команда увидела кластеры медь-скандий-вакансии с помощью атомно-зондовой томографии (APT) — метода, который позволяет увидеть, что происходит на атомном уровне внутри материала.

Кандидат наук. Студентка Ханне Сёрейде приготовила очень тонкие иглы (диаметром всего 50 нм) из сплава с помощью сфокусированного ионного луча компании NTNU Nanolab. Затем она использовала атомный зонд, чтобы испарять атомы один за другим с верхушки иглы, в то время как детектор собирал информацию о них.

«Разные атомы могут летать быстрее или медленнее», — говорит Ли.

Используя эту информацию, исследователи реконструировали картину того, где изначально находился каждый атом в материале. Они увидели, что атомы двух разных легирующих элементов соединялись внутри алюминия.