aluminiumlegeringar har unika materialegenskaper och är oumbärliga material inom flygplanstillverkning och rymdteknik. Med hjälp av högupplöst elektrontomografi, forskare vid TU Graz har för första gången avkodat mekanismer som är avgörande för att förstå dessa egenskaper. Forskningsresultaten har nyligen publicerats i Naturmaterial .

Nanostrukturer ansvarar för materialkvalitet

Legeringselement som skandium och zirkon läggs till aluminiummatrisen för att förbättra styrkan, korrosionsbeständighet och svetsbarhet av aluminiumlegeringar. Efter ytterligare behandling, så kallade nanofällningar, är formad. Dessa är små runda partiklar som bara är några nanometer stora. Deras form, atomstruktur och skandium- och zirkonatomernas 'kamp' om den 'bästa platsen' i kristallgittret är avgörande för materialets egenskaper och användbarhet.

Forskarna analyserade dessa strukturer med hjälp av det österrikiska Scanning Transmission Electron Microscope (ASTEM) vid Graz Center for Electron Microscopy (ZFE). Enheten kan producera högupplösta elementmappningar av tredimensionella strukturer. "Den tomografiska analysen gav en bild som, förvånande, kunde inte tolkas enligt den tidigare kunskapsnivån, sa Gerald Kothleitner, chef för arbetsgruppen för analytisk transmissionselektronmikroskopi vid TU Graz Institute of Electron Microscopy and Nanoanalysis. "Vi upptäckte anomalier i de genererade kärn-skal-strukturerna. Å ena sidan, vi hittade större mängder aluminium i nanofällningarna än vi hade trott. Å andra sidan, vi upptäckte en zirkonberikad kärna såväl som kantzoner mellan kärnan och skalet med en nästan perfekt sammansättning och kristallstruktur."

Kvantmekanik och Monte Carlo-metoder ger svar

För att spåra detta fenomen med självorganisering, forskare från Institutet för elektronmikroskopi och nanoanalys (FELMI) och Institutet för materialvetenskap, Joining and Forming (IMAT) föll tillbaka på kvantmekaniska beräkningar och simuleringar. De fann att systemet separerar sig och bildar atomärt smala kanaler där de främmande atomerna kan diffundera. Atomer som möter varandra blockerar dessa kanaler och stabiliserar systemet. Doktoranden Angelina Orthacker ger en grafisk förklaring av atomernas rörelse:"Diffusionsprocessen kan jämföras med bildandet av en nödkorridor i en tätort med tät trafik. Trafiken lyckas organisera sig på en bråkdel av en sekund för att möjliggöra fritt flöde av utryckningsfordon. Men det krävs bara några enstaka fordon för att blockera nödkorridoren, därmed stoppa den från att fungera." Och detta är exakt samma beteende i det inre av aluminiumlegeringar. "Nödkorridorer" främjar materialtransporten av skandium- och zirkonatomer och till och med mindre störningar stoppar denna transportreaktion. Forskargruppen antar att den nya rön om dessa diffusionsprocesser spelar också roll i andra flerkomponentlegeringar, och deras egenskaper kan nu justeras ännu mer.