Forskare har visat hur man skapar en superstark aluminiumlegering som konkurrerar med styrkan i rostfritt stål, ett framsteg med potentiella industriella tillämpningar.

"De flesta lätta aluminiumlegeringar är mjuka och har i sig låg mekanisk hållfasthet, som hindrar mer utbredd industriell tillämpning, " sa Xinghang Zhang, en professor i Purdue University's School of Materials Engineering. "Dock, hög styrka, lätta aluminiumlegeringar med styrka jämförbar med rostfria stål skulle revolutionera bil- och flygindustrin."

Ny forskning visar hur man ändrar aluminiumstrukturen för att ge större styrka och duktilitet. Resultaten beskrivs i två nya forskningsartiklar. Arbetet leddes av ett team av forskare som inkluderade Purdue postdoktorala forskningsassistent Sichuang Xue och doktoranden Qiang Li.

Den senaste artikeln publicerades online den 22 januari i tidskriften Avancerade material . Den tidigare artikeln publicerades i november i tidskriften Naturkommunikation .

Det nya höghållfasta aluminiumet görs möjligt genom att introducera "staplingsfel, " eller förvrängningar i kristallstrukturen. Även om dessa är lätta att tillverka i metaller som koppar och silver, de är svåra att införa i aluminium på grund av dess höga "staplingsfelenergi".

En metalls kristallgitter består av en upprepad sekvens av atomlager. Om ett lager saknas, det sägs vara ett staplingsfel. Under tiden, så kallade "tvillinggränser" bestående av två lager av staplingsförkastningar kan bildas. En typ av staplingsfel, kallas en 9R-fas, är särskilt lovande, sa Zhang.

"Det har visat sig att tvillinggränser är svåra att införa i aluminium. Bildandet av 9R-fasen i aluminium är ännu svårare på grund av dess höga staplingsfelenergi, "Sade Zhang. "Du vill introducera både nanotwins och 9R-fas i nanokornigt aluminium för att öka styrkan och duktiliteten och förbättra termisk stabilitet."

Nu, forskare har lärt sig hur man enkelt kan uppnå denna 9R-fas och nanotwins i aluminium.

"Dessa resultat visar hur man tillverkar aluminiumlegeringar som är jämförbara med eller till och med starkare än, rostfritt stål, " sade han. "Det finns en hel del potentiella kommersiella effekter i detta fynd."

Xue är huvudförfattare till Naturkommunikation papper, som är den första att rapportera en "chockinducerad" 9R-fas i aluminium. Forskare bombarderade ultratunna aluminiumfilmer med små mikroprojektiler av kiseldioxid, ger 9R-fas.

"Här, genom att använda en laserinducerad projektilkollisionstestteknik, vi upptäcker en deformationsinducerad 9R-fas med tiotals nanometer i bredd, " sa Xue.

Mikroprojektiltesterna utfördes av en forskargrupp vid Rice University, ledd av professor Edwin L. Thomas, medförfattare till Nature Communications-tidningen. En laserstråle gör att partiklarna stöts ut med en hastighet av 600 meter per sekund. Förfarandet accelererar dramatiskt screeningtest av olika legeringar för slagbeständighetsapplikationer.

"Säg att jag vill screena många material inom kort tid, ", sade Zhang. "Den här metoden tillåter oss att göra det till mycket lägre kostnad än vad som annars är möjligt."

Li är huvudförfattare till uppsatsen Advanced Materials, som beskriver hur man inducerar en 9R -fas i aluminium inte genom chock utan genom att införa järnatomer i aluminiumets kristallstruktur via ett förfarande som kallas magnetronförstoftning. Järn kan också införas i aluminium med andra tekniker, som gjutning, och den nya upptäckten skulle potentiellt kunna skalas upp för industriella tillämpningar.

De resulterande "nanotvinnade" beläggningarna av aluminium-järnlegering visade sig vara en av de starkaste aluminiumlegeringar som någonsin skapats, jämförbar med höghållfasta stål.

"Molekylär-dynamik simuleringar, utförd av professor Jian Wangs grupp vid University of Nebraska, Lincoln, visade 9R-fasen och nanograiner resulterade i hög hållfasthet och arbetshärdningsförmåga och avslöjade bildningsmekanismerna för 9R-fasen i aluminium, "Zhang sa. "Förstå nya deformationsmekanismer kommer att hjälpa oss att designa ny hög hållfasthet, formbara metalliska material, såsom aluminiumlegeringar. "

En potentiell tillämpning kan vara att designa slitage- och korrosionsbeständiga beläggningar av aluminiumlegering för elektronik- och bilindustrin.