En metallegering som består av niob, tantal, titan och hafnium har chockat materialforskare med sin imponerande styrka och seghet vid både extremt varma och kalla temperaturer, en kombination av egenskaper som hittills verkade vara nästan omöjliga att uppnå.
I detta sammanhang definieras styrka som hur mycket kraft ett material tål innan det deformeras permanent från sin ursprungliga form, och seghet är dess motståndskraft mot sprickbildning (sprickbildning). Legeringens motståndskraft mot böjning och brott över ett enormt antal förhållanden kan öppna dörren för en ny klass av material för nästa generations motorer som kan arbeta med högre effektivitet.
Teamet, ledd av Robert Ritchie vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley, i samarbete med grupperna ledda av professorerna Diran Apelian vid UC Irvine och Enrique Lavernia vid Texas A&M University, upptäckte legeringens överraskande egenskaper och kom sedan på hur de uppstår från interaktioner i atomstrukturen. Deras arbete beskrivs i en studie som publicerades i Science .
"Effektiviteten för att omvandla värme till elektricitet eller dragkraft bestäms av den temperatur vid vilken bränslet förbränns - ju varmare, desto bättre. Driftstemperaturen begränsas dock av de strukturella materialen som måste tåla det", säger första författaren David Cook. en Ph.D. student i Ritchies labb. "Vi har uttömt möjligheten att ytterligare optimera de material vi för närvarande använder vid höga temperaturer, och det finns ett stort behov av nya metalliska material. Det är vad den här legeringen lovar."
Legeringen i denna studie är från en ny klass av metaller som kallas eldfasta hög- eller medelentropilegeringar (RHEA/RMEA). De flesta av de metaller vi ser i kommersiella eller industriella tillämpningar är legeringar gjorda av en huvudmetall blandad med små mängder av andra element, men RHEA och RMEA tillverkas genom att blanda nästan lika stora mängder metalliska element med mycket höga smälttemperaturer, vilket ger dem unika egenskaper som forskarna fortfarande håller på att reda ut.
Ritchies grupp har undersökt dessa legeringar i flera år på grund av deras potential för högtemperaturapplikationer.
"Vårt team har gjort tidigare arbete med RHEA och RMEA, och vi har funnit att dessa material är mycket starka men i allmänhet har extremt låg brottseghet, vilket är anledningen till att vi blev chockade när denna legering visade exceptionellt hög seghet", säger en medkorrespondent författare. Punit Kumar, postdoktor i gruppen.
Enligt Cook har de flesta RMEA:er en brottseghet på mindre än 10 MPa√m, vilket gör dem till några av de mest sköra metallerna någonsin. De bästa kryogena stålen, speciellt framtagna för att motstå brott, är cirka 20 gånger segare än dessa material. Ändå niob, tantal, titan och hafnium (Nb45 Ta25 Ti15 Hf15 ) RMEA-legeringen kunde slå till och med det kryogena stålet och klockade in på över 25 gånger tuffare än typiska RMEA vid rumstemperatur.
Men motorer fungerar inte i rumstemperatur. Forskarna utvärderade styrka och seghet vid totalt fem temperaturer:-196°C (temperaturen för flytande kväve), 25°C (rumstemperatur), 800°C, 950°C och 1200°C. Den sista temperaturen är cirka 1/5 av solens yttemperatur.
Teamet fann att legeringen hade den högsta hållfastheten i kyla och blev något svagare när temperaturen steg men stoltserade ändå med imponerande siffror i hela det breda intervallet. Brottsegheten, som beräknas utifrån hur mycket kraft det krävs för att sprida en befintlig spricka i ett material, var hög vid alla temperaturer.
Nästan alla metalliska legeringar är kristallina, vilket innebär att atomerna inuti materialet är ordnade i repeterande enheter. Men ingen kristall är perfekt; de innehåller alla defekter. Den mest framträdande defekten som rör sig kallas dislokationen, som är ett oavslutat plan av atomer i kristallen. När kraft appliceras på en metall får det många dislokationer att röra sig för att anpassa formförändringen.
Till exempel, när du böjer ett gem som är tillverkat av aluminium, anpassar rörelsen av dislokationer inuti gemet formändringen. Men förflyttningen av dislokationer blir svårare vid lägre temperaturer, och som ett resultat blir många material spröda vid låga temperaturer eftersom dislokationer inte kan röra sig. Det är därför stålskrovet på Titanic sprack när det träffade ett isberg.
Grundämnen med höga smälttemperaturer och deras legeringar tar detta till det extrema, med många förblir spröda upp till 800°C. Denna RMEA motverkar dock trenden och tål snäppning även vid temperaturer så låga som flytande kväve (-196°C).
För att förstå vad som hände inuti den anmärkningsvärda metallen analyserade medutredaren Andrew Minor och hans team de stressade proverna tillsammans med oböjda och okräckta kontrollprover, med hjälp av fyrdimensionell skanningstransmissionselektronmikroskopi (4D-STEM) och sveptransmissionselektronmikroskopi (STEM) vid National Center for Electron Microscopy, en del av Berkeley Labs Molecular Foundry.
Elektronmikroskopidata avslöjade att legeringens ovanliga seghet kommer från en oväntad bieffekt av en sällsynt defekt som kallas ett kinkband. Böjband bildas i en kristall när en applicerad kraft får remsor av kristallen att kollapsa på sig själva och plötsligt böjas.
Riktningen i vilken kristallen böjer sig i dessa remsor ökar kraften som dislokationer känns, vilket gör att de rör sig lättare. På bulknivå gör detta fenomen att materialet mjuknar (vilket innebär att mindre kraft måste appliceras på materialet när det deformeras).
Teamet visste från tidigare forskning att kinkband bildades lätt i RMEAs men antog att den mjukgörande effekten skulle göra materialet mindre segt genom att göra det lättare för en spricka att spridas genom gallret. Men i verkligheten är det inte så.
"Vi visar, för första gången, att i närvaro av en skarp spricka mellan atomer, motstår knäckband faktiskt spridningen av en spricka genom att distribuera skador bort från den, förhindra brott och leda till extraordinärt hög brottseghet", säger Cook.
Nb45 Ta25 Ti15 Hf15 legering kommer att behöva genomgå mycket mer grundläggande forskning och tekniska tester innan något som en jetplansturbin eller SpaceX-raketmunstycke tillverkas av den, sade Ritchie, eftersom mekaniska ingenjörer med rätta kräver en djup förståelse av hur deras material presterar innan de använder dem i den riktiga världen. Denna studie indikerar dock att metallen har potential att bygga framtidens motorer.
Mer information: David H. Cook et al, Kink-band främjar exceptionell brottmotstånd i en NbTaTiHf eldfast medelentropilegering, Science (2024). DOI:10.1126/science.adn2428
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Lawrence Berkeley National Laboratory
