När du limmar två metallstycken, antingen måste metallerna smälta lite där de möts eller så måste någon smält metall införas mellan bitarna. En fast bindning bildas sedan när metallen stelnar igen. Men forskare vid MIT har funnit att i vissa situationer, smältning kan faktiskt hämma metallbindning snarare än att främja den.

Det överraskande och kontraintuitiva fyndet kan få allvarliga konsekvenser för utformningen av vissa beläggningsprocesser eller för 3D-utskrift, som båda kräver att material håller ihop och förblir så.

Forskningen, utförd av postdoktorerna Mostafa Hassani-Gangaraj och David Veysset och professorerna Keith Nelson och Christopher Schuh, rapporterades i två tidningar, i journalerna Fysiska granskningsbrev och Scripta Materialia .

Schuh, vem är Danae och Vasilis Salapatas professor i metallurgi och chef för institutionen för materialvetenskap och teknik, förklarar att en av tidningarna beskriver "ett revolutionerande framsteg inom tekniken" för att observera interaktioner med extremt hög hastighet, medan den andra använder sig av den höghastighetsbilden för att avslöja att smältning inducerad av stötande metallpartiklar kan hindra bindning.

Den optiska inställningen, med en höghastighetskamera som använder 16 separata bilder med laddade enheter (CCD) och kan spela in bilder på bara 3 nanosekunder, utvecklades i första hand av Veysset. Kameran är så snabb att den kan spåra enskilda partiklar som sprutas på en yta med överljudshastigheter, en bedrift som tidigare inte var möjlig. Teamet använde den här kameran, som kan ta upp till 300 miljoner bilder per sekund, att observera en spraymålningsliknande process som liknar den som används för att applicera en metallisk beläggning på ytor i många industrier.

Även om sådana processer används i stor utsträckning, tills nu har deras egenskaper bestämts empiriskt, eftersom själva processen är så snabb "kan du inte se den, du kan inte säga vad som händer, och ingen har någonsin kunnat se ögonblicket när en partikel slår och fastnar, " säger Schuh. Som ett resultat, det har varit pågående kontroverser om huruvida metallpartiklarna verkligen smälter när de träffar ytan som ska beläggas. Den nya tekniken gör att forskarna nu "kan se vad som händer, kan studera det, och kan göra vetenskap, " han säger.

De nya bilderna gör det klart att under vissa förhållanden, metallpartiklarna som sprutas på en yta smälter verkligen ytan – och det, oväntat, förhindrar att de fastnar. Forskarna fann att partiklarna studsar bort på mycket kortare tid än det tar för ytan att stelna igen, så de lämnar ytan som fortfarande är smält.

Om ingenjörer upptäcker att ett beläggningsmaterial inte binder bra, de kan vara benägna att öka sprayhastigheten eller temperaturen för att öka risken för smältning. Dock, de nya resultaten visar motsatsen:Smältning bör undvikas.

Det visar sig att den bästa bindningen sker när de stötande partiklarna och stötytorna förblir i fast tillstånd men "stänker" utåt på ett sätt som ser ut som vätska. Det var "en ögonöppnande observation, " enligt Schuh. Det fenomenet "finns i en mängd av dessa metallbearbetningsmetoder, säger han. Nu, det är tydligt att "att fästa metall på metall, vi måste göra ett stänk utan vätska. Ett fast stänk sticker, och en flytande gör det inte." Med den nya förmågan att observera processen, Hassani-Gangaraj säger, "genom exakta mätningar, vi kunde hitta de förutsättningar som behövs för att framkalla det bandet."

Fynden kan vara relevanta för processer som används för att belägga motorkomponenter för att återanvända slitna delar snarare än att förpassa dem till skrotbehållaren. "Med en gammal motor från en stor schaktmaskin, det kostar en förmögenhet att slänga det, och det kostar en förmögenhet att smälta och gjuta om det, " säger Schuh. "Istället, du kan rengöra den och använda en sprayprocess för att förnya ytan." Men det kräver att den sprayade beläggningen förblir säkert bunden.

Förutom beläggningar, den nya informationen kan också hjälpa till vid utformningen av vissa metallbaserade tillsatstillverkningssystem, känd som 3D-utskrift. Där, som med beläggningar, det är viktigt att se till att ett lager av tryckmaterialet fäster fast vid det föregående lagret.

"Vad det här arbetet lovar är ett korrekt och matematiskt tillvägagångssätt" för att bestämma de optimala villkoren för att säkerställa ett solidt band, säger Schuh. "Det är matematiskt snarare än empiriskt."