Straalmotoren zijn meedogenloos. Ze eisen materialen die hitte en kracht verdragen zonder te buigen, te barsten, hun vorm te verliezen of langzaam te vervormen onder druk.
De vangst? De sterkste kandidaten zijn vaak te broos.
Ingenieurs van Purdue University hebben deze regel zojuist aangevochten. Ze hebben kobaltaluminium (CoAl) opnieuw ontworpen op nanoschaal. Het resultaat is een kobaltaluminium nanolaminaat dat tot 10 keer sterker is dan hoogwaardig constructiestaal.
En het breekt niet als glas.
Deze bevinding, gepubliceerd in Science Advances, biedt een nieuw pad om notoir broze intermetallische verbindingen bruikbaar te maken in de lucht- en ruimtevaart en defensie.
De broze aard van intermetallische verbindingen
Intermetaalverbindingen bevatten twee of meer metalen gerangschikt in een zeer geordend kristalrooster. Die orde schept kracht. Het creëert ook hoge smeltpunten en weerstand tegen kruip – de langzame vervorming onder langdurige spanning.
Deze eigenschappen zijn perfect voor straalmotoren, gasturbines en energiesystemen. Maar diezelfde atomaire stijfheid is het probleem.
De meeste intermetallische materialen kunnen niet buigen. In plaats daarvan breken ze. Dit geldt vooral bij kamertemperatuur.
“Ze kunnen onder andere mogelijk worden toegepast op turbinebladen van de volgende generatie voor vliegtuigmotoren… Zeer sterke, plastisch vervormbare legeringen kunnen ervoor zorgen dat een motor sneller kan draaien en tegelijkertijd hogere centrifugaalkrachten kan behouden.” – Xinghang Zhang
CoAl is een voorbeeld van dit dilemma. Het is sterk genoeg voor veeleisende componenten. Maar de broosheid ervan maakt het vervaardigen van complexe vormen bijna onmogelijk en maakt het kwetsbaar voor plotselinge mechanische spanningen.
Met opzet technische defecten
Om broosheid te verhelpen, denk je meestal aan het verminderen van gebreken. Hier deden de onderzoekers het tegenovergestelde.
In een perfect kristal volgen atomen een strikt geometrisch patroon. Een dislocatie – een microscopische verstoring – wordt normaal gesproken als een defect gezien. Maar bij metalen zorgen dislocaties ervoor dat atomen langs elkaar heen kunnen glijden. Hierdoor kan het materiaal van vorm veranderen zonder te breken.
CoAl mist mobiele dislocaties bij kamertemperatuur. Eerdere pogingen om de plasticiteit ervan te vergroten door de samenstelling te veranderen of materialen te mengen, leverden geen significante resultaten op.
Het Purdue-team koos een andere route.
Ze bouwden de dislocaties tijdens de vorming rechtstreeks in het materiaal. Ze creëerden ook een netwerk van ‘amorfe interfaces’. Dit zijn dunne grenzen waar atomen de ordelijke rangschikking missen die in een kristal wordt aangetroffen.
Waarom amorfe interfaces belangrijk zijn
Deze flexibele grenzen doen meer dan afzonderlijke lagen CoAl.
Tijdens vervorming kristalliseren delen van deze amorfe grensvlakken gedeeltelijk. Dit proces veroorzaakt het ontstaan van nieuwe dislocaties. Deze dislocaties geven omliggende CoAl-lagen meer manieren om de impact te absorberen.
“We hebben het raamwerk van amorfe grensvlakken ontworpen… flexibele grenzen in de materialen voor structurele flexibiliteit… die de kernvorming van de dislocaties bevorderen.” – Xinghang Zhang
Ke Xu, de eerste auteur van het onderzoek, merkt op dat deze aanpak een alternatief biedt om de plastische vervormingsmogelijkheden in CoAl te verbeteren. De interfaces fungeren als actieve bronnen van plasticiteit. Ze helpen het materiaal te reageren op spanning in plaats van er simpelweg onder te barsten.
Vloeisterkte vergeleken met constructiestaal
De cijfers zijn onthutsend.
Het nanolaminaat behaalde een vloeigrens van 6 GPa (gigapascal). Om dat in perspectief te plaatsen: constructiestaal met hoge sterkte varieert doorgaans tussen 0,4 GPa en 0,5 GPa. Deze nieuwe legering is ongeveer 6 tot 10 keer sterker.
De vloeigrens meet hoeveel spanning een materiaal kan verdragen voordat het permanent vervormt.
Maar ondanks die extreme sterkte onderhield het CoAl-nanolaminaat 15% plastic spanning onder compressie bij kamertemperatuur. Het kan aanzienlijke blijvende vervorming ondergaan. Het breekt niet onmiddellijk.
“Deze combinatie van ultrahoge mechanische sterkte en uitstekende plasticiteit maakt het huidige CoAl Nanolaminate-systeem tot een van de beste intermetallische systemen die tot nu toe zijn gerapporteerd.” – Ke Xu
Het materiaal uit damp creëren
Hoe maak je dit? Traditioneel gieten smelt metaal en laat het stollen. Dat zal hier niet werken.
Het team maakte gebruik van magnetronsputterdepositie.
Atomen komen als damp vrij uit een bronmateriaal. Ze zetten zich als een dunne film af op een ander oppervlak. Deze “niet-evenwichts”-benadering maakt het mogelijk dat het materiaal rechtstreeks uit damp wordt gevormd.
Deze methode vangt grote aantallen dislocaties binnen de CoAl op. Het creëert ook die kritische amorfe aluminium-kobaltgrenzen. Traditioneel gieten kan deze specifieke combinatie van kenmerken niet bereiken.
Vervorming in realtime bekijken
Theorie is nuttig. Bewijs vereist observatie.
Onderzoekers comprimeerden het materiaal in een scanning-elektronenmicroscoop. Door deze in situ tests konden ze microscopische veranderingen observeren terwijl de CoAl vervormde.
Simulaties ondersteunden de beelden. Professoren van de Universiteit van Houston, Yashashree Kulkarni-student Anand Mathew, voerde moleculaire dynamica-modellen uit. Uit de gegevens bleek dat de amorfe grensvlakken onder druk kristalliseerden. Hierdoor kwamen dislocaties vrij in de aangrenzende CoAl-lagen.
De experimenten bevestigden wat de simulaties suggereerden: deze interfaces helpen actief bij plastische vervorming. Ze versterken het vermogen van het materiaal om met stress om te gaan, zonder dat dit ten koste gaat van de inherente sterkte.
Voorbij de nanoschaal
Momenteel is dit CoAl-nanolaminaat een dunnefilmsysteem. Het is nog geen bulkturbineblad.
De volgende stap is schaalvergroting. De onderzoekers willen dit structurele concept overbrengen naar grotere CoAl-nanocomposieten die industrieel kunnen worden geproduceerd.
Ze zijn ook van plan het concept van het “raamwerk van amorfe interfaces” te testen op andere intermetallische materialen. Als het standhoudt in verschillende verbindingen, biedt het een generaliseerbare strategie voor het verbeteren van de plasticiteit in deze hele klasse metalen.
“Nodulair intermetallische materialen vergroten onze mogelijkheden voor het ontwerpen van geavanceerde materialen voor ruimtevaart-, energie- en defensietoepassingen aanzienlijk.” – Xinghang Zhang
In plaats van een keuze tussen sterkte en vervormbaarheid te forceren, kunnen ingenieurs binnenkort beide ontwerpen. Door te controleren waar defecten ontstaan en hoe grenzen reageren, kunnen we eindelijk metalen ontsluiten die voorheen als onbruikbaar werden beschouwd.
Referentie:
“Plasticiteit in brosse intermetallische verbindingen mogelijk gemaakt door een raamwerk van amorfe grensvlakken en reeds bestaande dislocaties” door Ke Xu, Anand Matheth, Zhongxia Shang, Debarga Paul, Xuanyu Sheng, Haiyan Wang, Yashase Kulkarni en Xinghng Zhang, 17 26 juni, Science Advances.
DOI: 10.112/sciadv.ab0076
Financiering verstrekt door het National Science Foundation Metals and Metallic Nanostructures-programma.
