WEST LAFAYETTE, Ind. - Výskumníci demonštrovali vytvorenie super silnej hliníkovej zliatiny, ktorá svojou pevnosťou konkuruje pevnosti nehrdzavejúcej ocele. To je pokrok s potenciálnyne širokým priemyselným využitím.
"Väčšina ľahkých zliatin hliníka je mäkká a má prirodzene nízku mechanickú pevnosť, čo bráni ich rozšírenej priemyselnej aplikácii," povedal Xinghang Zhang, profesor na Fakulte materiálového inžinierstva Univerzity Purdue. "Avšak ľahké hliníkové zliatiny s vysokou pevnosťou porovnateľnou s pevnosťou nehrdzavejúcej ocele by znamenali revolúciu v automobilovom a leteckom priemysle."
Nový výskum ukazuje, ako zmeniť mikroštruktúru hliníka, aby sa dosiahla väčšia pevnosť a ťažnosť. Zistenia boli podrobne opísané v dvoch nových výskumných článkoch. Práca bola vedená tímom výskumníkov, medzi ktorých patria postdoktorandka na Purdue Sichuang Xue a doktorandka Qiang Li.
Najnovší článok bol uverejnený online 22. januára v časopise Advanced Materials. Predchádzajúci článok bol zverejnený v novembri v časopise Nature Communications.
Výroba nového hliník s vysokou pevnosťou je možná vďaka zavedeniu "stohovacích chýb" alebo deformácií do jeho kryštálovej štruktúry. Zatiaľ čo tieto sa dajú ľahko vyrábať v kovoch, ako je napríklad meď a striebro, je ťažké ich zaviesť do hliníka kvôli vysokej energii "stohovacích chýb".
Kryštáľová mriežka kovu pozostáva z opakujúcej sa sekvencie atómových vrstiev. Ak chýba jedna vrstva, hovorí sa, že došlo k chybe stohovania. Medzitým sa môžu vytvoriť takzvané "dvojité hranice" pozostávajúce z dvoch vrstiev stohovacích porúch. Jeden typ stohovacej poruchy, nazývanej 9R fáza, je obzvlášť nádejný, povedal Zhang.
"Ukázalo sa, že dvojité hranice sa do hliníka vkladajú ťažko. Tvorba 9R fázy v hliníku je ešte ťažšia kvôli vysokej energetickej poruche," povedal Zhang. "Chcete vložiť obidve nanodvojice a fázu 9R do nanozrnitého hliníka, aby ste zvýšili jeho pevnosť a ťažnosť a zlepšili tepelnú stabilitu."
Teraz sa vedci naučili, ako ľahko dosiahnuť túto 9R fázu a nanodvojice v hliníku.
"Tieto výsledky ukazujú, ako vyrábať zliatiny hliníka, ktoré sú čo sa týka pevnosti porovnateľné alebo dokonca silnejšie ako nehrdzavejúce ocele," povedal. "Toto má výrazný komerčný potenciál."
Xue je hlavným autorom článku v Nature Communications, ktorý ako prvý uviedol fázu 9R indukovanú "šokom" v hliníku. Výskumníci bombardovali ultratenké hliníkové filmy mikro-projektilmi oxidu kremičitého, čím sa získala fáza 9R.
"Tu pomocou techniky lasermi indukovaných impaktných projektilov objavujeme deformáciu vyvolanú 9R fázou širokú desiaty nanometrov," povedal Xue.
Mikroprojektilové testy vykonala výskumná skupina na univerzite v Rice, vedená profesorom Edwinom L. Thomasom, spoluautorom článku v Nature Communications. Laserový lúč spôsobí vystrelenie častíc rýchlosťou 600 metrov za sekundu. Postup výrazne urýchľuje skríningové testy rôznych zliatin pre aplikácie odolné proti nárazom.
"Povedzme, že v krátkom čase chceme skontrolovať veľa materiálov," povedal Zhang. "Táto metóda nám umožňuje robiť to oveľa lacnejšie, než akokoľvek inak."
Li je hlavným autorom článku v magazíne Advanced Materials, ktorý opisuje, ako indukovať fázu 9R v hliníku, nie šokom (rázovou vlnou), ale zavedením atómov železa do kryštalickej hliníkovej štruktúry pomocou postupu nazývaného naprašovanie magnetrónov. Železo sa môže do hliníka zavádzať aj pomocou iných techník, ako je napríklad odlievanie, a nové zistenie by sa mohlo potenciálne rozšíriť na priemyselné aplikácie.
Výsledné vrstvy z hliníkovej zliatiny "nanodvojíc" sa ukázali ako jedna z najsilnejších hliníkových zliatin, ktoré sa kedy vytvorili, porovnateľné s oceľami s vysokou pevnosťou.
"Molekulárno-dynamické simulácie, ktoré vykonala skupina profesora Jian Wang na univerzite v Nebraske, Lincoln, ukázali, že fáza 9R a nanozrná vedú k vysokej pevnosti a vytvrdzovaniu a odhalili mechanizmy tvorby 9R fázy v hliníku," povedal Zhang , "Pochopenie nových deformačných mechanizmov nám pomôže navrhnúť nové vysokopevné, tvárne kovové materiály, ako sú hliníkové zliatiny."
Jednou potenciálnou aplikáciou môže byť návrh vrstiev z hliníkových zliatin odolných voči opotrebovaniu a korózii pre elektronický a automobilový priemysel.
Výskum bol financovaný predovšetkým U.S. Department of Energy’s Office of Basic Energy Sciences, Materials Science and Engineering Division. Vedci podali patentovú prihlášku prostredníctvom Purdue Research Foundation’s Office of Technology Commercialization..
Transmisná elektrónová mikroskopia pre výskum bol prevedená na novom mikroskope FEI Talos 200X v laboratóriu vedenom Haiyan Wangom; a "in situ mikrostĺpcová kompresia" v skenovacích elektrónových mikroskopoch bola podporená mikroskopickým centrom Purdue Life Science Microscopy, vedeným Christopherom Gilpinom, riaditeľom zariadenia. Tieto pokročilé mikroskopické zariadenia bolo možné použiť vďaka podpore Purdue's Office pre Executive Vice President for Research and Partnerships.
Tím zahŕňal výskumníkov z Purdue’s School of Materials Engineering, Department of Materials Science and NanoEngineering at Rice University, the Department of Engineering Physics at the University of Wisconsin-Madison, State Key Lab of Metal Matrix Composites, the School of Materials Science and Engineering at Shanghai Jiao Tong University, Department of Materials Science and Engineering at China University of Petroleum, California Institute of Technology, Louisiana State University a z University of Nebraska-Lincoln. Úplný zoznam spoluautorov je k dispozícii v abstraktoch v tlačovej správe.
Autor tlačovej správy: Emil Venere
Zdroj: www.purdue.edu
Herly