Materialien werden oft als einphasig betrachtet, viele technische Materialien enthalten jedoch zwei oder mehr Phasen, wodurch ihre Eigenschaften und Leistung verbessert werden. Diese zweiphasigen Materialien weisen Einschlüsse, sogenannte Ausscheidungen, auf, die in die Mikrostruktur eingebettet sind.
Legierungen, eine Kombination aus zwei oder mehr Arten von Metallen, werden in vielen Anwendungen verwendet, beispielsweise in Turbinen für Düsentriebwerke und Leichtlegierungen für Automobilanwendungen, da sie aufgrund dieser eingebetteten Ausscheidungen sehr gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Die durchschnittliche Niederschlagsgröße nimmt jedoch tendenziell mit der Zeit zu – ein Prozess, der Vergröberung genannt wird –, was zu einer Verschlechterung der Leistung von Mikrostrukturen mit nanoskaligen Niederschlägen führt.
Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign haben einen neuartigen Weg zur Stabilisierung der nanoskaligen Ausscheidungen in Legierungen identifiziert. In einer neuen Studie zeigen der Materialwissenschafts- und Ingenieurprofessor Pascal Bellon, der Postdoktorand Gabriel Bouobda Moladje und ihre Mitarbeiter, dass es möglich ist, Nichtgleichgewichtsprozesse zu nutzen, um die Vergröberung von Ausscheidungen zu stoppen, was zu stabilen Nanostrukturen führt.
Die Ergebnisse dieser Forschung wurden kürzlich in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.
„In den letzten zwei Jahrzehnten haben Forscher erkannt, dass nanoskalige Einschlüsse in der Struktur tatsächlich sehr vorteilhaft für das Material sein können“, sagt Bellon. „Die Herausforderung besteht darin, dass diese kleinen Partikel spontan größer werden wollen.“
Stellen Sie sich das wie die Zubereitung von Nudeln vor: Wenn Öl zum kochenden Wasser gegeben wird, können die Öltropfen beim ersten Hinzufügen und Rühren klein sein, aber wenn das Rühren gestoppt wird, verbinden sich die Tropfen zu größeren Tropfen. Dies ist der Vergröberungsprozess. „Wenn wir uns für die Verteilung kleinräumiger Objekte interessieren, müssen wir dieser natürlichen Tendenz zur Vergröberung entgegenwirken“, erklärt Bellon.
Das Team nutzte Computermodelle, um Ausscheidungen zu untersuchen, die sich an den Domänen zwischen verschiedenen Kristallen des Materials, sogenannten Korngrenzen, bilden, wenn sie einer Bestrahlung, einer Nichtgleichgewichtskraft, ausgesetzt werden. In einer Gleichgewichtsumgebung sind die Kräfte ausgeglichen und es gibt keine Nettoveränderung am Material. In den meisten Anwendungen sind harte Materialien jedoch Ungleichgewichtskräften wie Bestrahlung oder sogar Rühren ausgesetzt. Daher ist es wichtig zu verstehen, wie sich Niederschläge in solchen Ungleichgewichtsumgebungen entwickeln.
„Wir waren besonders an Legierungen interessiert, die einer Bestrahlung mit energiereichen Teilchen ausgesetzt sind“, sagt Bellon. „Das ist eine Situation, die zum Beispiel bei Materialien auftritt, die für nukleare Anwendungen verwendet werden. Dies gilt auch für Materialien, die im Weltraum verwendet werden, wo sie von kosmischer Strahlung bombardiert werden. Was wir uns konkret angesehen haben, war eine Modelllegierung aus Aluminium und Antimon.“ .“
In Legierungen aus Aluminium und Antimon möchte Antimon Ausscheidungen bilden, so wie Öl in Wasser Tröpfchen bilden möchte. Die Forscher fanden heraus, dass sich bei Bestrahlung erwartungsgemäß Ausscheidungen an den Korngrenzen bilden würden. Sie fanden aber auch heraus, dass die Ausfällungen nicht gröber wurden und weiter wuchsen, sondern eine bestimmte Größe erreichten und dann aufhörten. Dies wird als angehaltenes Vergröberungsverhalten bezeichnet und war ein unerwartetes Ergebnis.
Dieser Ansatz könnte auf andere Materialsysteme angewendet werden, bei denen der Transport von Spezies eine wichtige Rolle spielt, beispielsweise der Transport ionischer Spezies zwischen Elektroden in Batterien. Bei Batteriematerialien kann es von Vorteil sein, kleine Ausscheidungen zu haben, da große Ausscheidungen das Material stark beanspruchen können. In einem solchen Fall wäre die Unterdrückung der Vergröberung von Vorteil.
Im Anschluss an diese Computerforschung plant Bellon zusammen mit den UIUC-MatSE-Professoren Robert Averback und Marie Charpagne, mit der experimentellen Validierung der kürzlich veröffentlichten Ergebnisse zu beginnen. Bellon sagt: „Wir freuen uns, Modellierung, Theorie und Experimente zu kombinieren und dabei alle Tools des Materialforschungslabors zu nutzen, um die Vorhersagen aus Computersimulationen auf experimenteller Ebene zu testen.“
Mehr Informationen:
GF Bouobda Moladje et al, Convection-Induced Compositional Patterning at Grain Boundaries in Irradiated Alloys, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.056201