Naukowcy odkryli niezwykły stop metalu, który nie pęka w ekstremalnych temperaturach w wyniku załamywania lub zginania kryształów stopu na poziomie atomowym. Stop metalu składający się z niobu, tantalu, tytanu i hafnu zaszokował naukowców zajmujących się materiałami swoją imponującą wytrzymałością i wytrzymałością zarówno w ekstremalnie wysokich, jak i niskich temperaturach, co stanowi połączenie właściwości, które dotychczas wydawały się prawie niemożliwe do osiągnięcia. W tym kontekście wytrzymałość definiuje się jako siłę, jaką materiał może wytrzymać, zanim ulegnie trwałemu odkształceniu od pierwotnego kształtu, a wytrzymałość oznacza jego odporność na pękanie (pękanie). Odporność stopu na zginanie i pękanie w ogromnym zakresie warunków może otworzyć drzwi dla nowej klasy materiałów do silników nowej generacji, które będą mogły pracować z wyższą wydajnością.
Zespół kierowany przez Roberta Ritchiego z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) i UC Berkeley, we współpracy z grupami kierowanymi przez profesorów Dirana Apeliana z UC Irvine i Enrique Lavernię z Texas A&M University, odkrył zaskakujące właściwości stopu, a następnie odkrył jak powstają w wyniku interakcji w strukturze atomowej. Ich pracę opisano w badaniu opublikowanym 11 kwietnia 2024 r. w czasopiśmie Science.
„Skuteczność przekształcania ciepła w energię elektryczną lub ciąg zależy od temperatury spalania paliwa – im cieplej, tym lepiej. Jednak temperatura robocza jest ograniczona materiałami konstrukcyjnymi, które muszą ją wytrzymać” – powiedział pierwszy autor David Cook , doktorat student w laboratorium Ritchiego. „Wyczerpaliśmy możliwości dalszej optymalizacji materiałów, których obecnie używamy w wysokich temperaturach, i istnieje duże zapotrzebowanie na nowatorskie materiały metaliczne. Właśnie w tym ten stop jest obiecujący”.
Stop objęty tym badaniem pochodzi z nowej klasy metali, znanych jako ogniotrwałe stopy o wysokiej lub średniej entropii (RHEA/RMEA). Większość metali, które widzimy w zastosowaniach komercyjnych lub przemysłowych, to stopy wykonane z jednego głównego metalu zmieszanego z niewielkimi ilościami innych pierwiastków, ale RHEA i RMEA powstają przez zmieszanie prawie równych ilości pierwiastków metalicznych o bardzo wysokich temperaturach topnienia, co daje im unikalne właściwości, które naukowcy wciąż odkrywają. Grupa Ritchiego badała te stopy od kilku lat ze względu na ich potencjał w zastosowaniach wysokotemperaturowych.
„Nasz zespół pracował już nad RHEA i RMEA i odkryliśmy, że te materiały są bardzo mocne, ale ogólnie mają wyjątkowo niską odporność na pękanie, dlatego byliśmy zszokowani, gdy ten stop wykazał wyjątkowo wysoką wytrzymałość” – powiedział współautor korespondenta Punit Kumar, pracownik naukowy w grupie ze stopniem doktora.
Według Cooka większość RMEA ma odporność na pękanie mniejszą niż 10 MPa√m, co czyni je jednymi z najbardziej kruchych metali w historii. Najlepsze stale kriogeniczne, specjalnie zaprojektowane tak, aby były odporne na pękanie, są około 20 razy wytrzymalsze niż te materiały. Jednak stop niobu, tantalu, tytanu i hafnu (Nb45Ta25Ti15Hf15) RMEA był w stanie pokonać nawet stal kriogeniczną, osiągając ponad 25 razy większą wytrzymałość niż typowe RMEA w temperaturze pokojowej.
Ale silniki nie działają w temperaturze pokojowej. Naukowcy ocenili wytrzymałość i ciągliwość w sumie w pięciu temperaturach: -196°C (temperatura ciekłego azotu), 25°C (temperatura pokojowa), 800°C, 950°C i 1200°C. Ostatnia temperatura stanowi około 1/5 temperatury powierzchni Słońca.
Zespół odkrył, że stop miał największą wytrzymałość na zimno i stał się nieco słabszy wraz ze wzrostem temperatury, ale nadal mógł pochwalić się imponującymi wartościami w całym szerokim zakresie. Odporność na pękanie, obliczana na podstawie siły potrzebnej do rozprzestrzenienia się istniejącego pęknięcia w materiale, była wysoka we wszystkich temperaturach.
Rozwikłanie układów atomowych
Prawie wszystkie stopy metali są krystaliczne, co oznacza, że atomy wewnątrz materiału są rozmieszczone w powtarzających się jednostkach. Jednak żaden kryształ nie jest doskonały, wszystkie zawierają defekty. Najbardziej widocznym defektem, który się porusza, jest dyslokacja, która jest niedokończoną płaszczyzną atomów w krysztale. Kiedy siła jest przykładana do metalu, powoduje to powstanie wielu dyslokacji, aby dostosować się do zmiany kształtu. Na przykład, gdy zginasz spinacz biurowy wykonany z aluminium, ruch przemieszczeń wewnątrz spinacza kompensuje zmianę kształtu. Jednakże ruch dyslokacji staje się trudniejszy w niższych temperaturach, w wyniku czego wiele materiałów staje się kruchych w niskich temperaturach, ponieważ dyslokacje nie mogą się poruszać. To dlatego stalowy kadłub Titanica pękł po zderzeniu z górą lodową. Pierwiastki o wysokich temperaturach topnienia i ich stopy doprowadzają to do skrajności, a wiele z nich pozostaje kruchych nawet do 800°C. Jednak ten RMEA przełamuje ten trend, wytrzymując pękanie nawet w temperaturach tak niskich jak ciekły azot (-196°C).
Aby zrozumieć, co dzieje się wewnątrz niezwykłego metalu, współbadacz Andrew Minor i jego zespół przeanalizowali próbki poddane obciążeniom, a także niezagięte i niepękane próbki kontrolne, używając czterowymiarowej skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (4D-STEM) i skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (STEM). ) w Narodowym Centrum Mikroskopii Elektronowej, części Molecular Foundry w Berkeley Lab.
Dane z mikroskopii elektronowej ujawniły, że niezwykła wytrzymałość stopu wynika z nieoczekiwanego efektu ubocznego rzadkiego defektu zwanego pasmem załamania. Załamane pasma tworzą się w krysztale, gdy przyłożona siła powoduje, że paski kryształu zapadają się i gwałtownie wyginają. Kierunek, w którym kryształ wygina się w tych paskach, zwiększa siłę odczuwaną przez dyslokacje, powodując ich łatwiejsze poruszanie się. Na poziomie masowym zjawisko to powoduje mięknięcie materiału (co oznacza, że do materiału należy przykładać mniejszą siłę podczas jego odkształcania). Zespół wiedział z wcześniejszych badań, że w RMEA łatwo tworzą się załamane pasma, założył jednak, że efekt zmiękczania sprawi, że materiał będzie mniej wytrzymały, ułatwiając rozprzestrzenianie się pęknięcia w siatce. Ale w rzeczywistości tak nie jest.
„Po raz pierwszy pokazujemy, że w obecności ostrego pęknięcia między atomami pasma załamań faktycznie przeciwdziałają rozprzestrzenianiu się pęknięcia, rozprowadzając uszkodzenia poza nim, zapobiegając pękaniu i prowadząc do niezwykle wysokiej odporności na pękanie” – powiedział Cook.
Stop Nb45Ta25Ti15Hf15 będzie musiał przejść znacznie więcej badań podstawowych i testów inżynieryjnych, zanim powstanie z niego cokolwiek takiego jak turbina samolotu odrzutowego czy dysza rakiety SpaceX, powiedział Ritchie, ponieważ inżynierowie mechanicy słusznie wymagają głębokiego zrozumienia, jak zachowują się ich materiały, zanim zostaną użyte ich w realnym świecie. Badanie to wskazuje jednak, że metal ma potencjał do budowy silników przyszłości.
Badanie to przeprowadzili David H. Cook, Punit Kumar, Madelyn I. Payne, Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zehao Li, Arun Devaraj, Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor, Enrique J. Lavernia, Diran Apelian i Robert O. Ritchie, naukowcy z Berkeley Lab, UC Berkeley, Pacific Northwest National Laboratory i UC Irvine, przy wsparciu finansowym Biura Naukowego Departamentu Energii (DOE). Analizę eksperymentalną i obliczeniową przeprowadzono w Odlewni Molekularnej i Narodowym Centrum Obliczeniowym Naukowym Badań nad Energią – oba są obiektami użytkowników Biura Naukowego DOE.