Onderzoek Ohio State: ontworpen kristaldefecten versterken twee legeringen zonder hun chemische samenstelling te wijzigen

Een team onder leiding van onderzoekers van The Ohio State University meldt dat bewust aangebrachte kristaldefecten, gerangschikt in dichte geordende netwerken, twee metaallegeringen sterker maakten zonder hun chemische samenstelling te veranderen. De peer-reviewed studie werd deze week gepubliceerd in Science, aldus een persbericht van de universiteit. Co-auteurs komen van de Universiteit Erlangen-Nuremberg in Duitsland en Lawrence Livermore National Laboratory in Californië.

De methode bestaat uit twee stappen. De onderzoekers vervormden eerst de kristallen van twee kobaltmaterialen, een nikkelhoudende superlegering en een chroom-wolfraamlegering, en lieten het materiaal daarna langzaam verouderen met warmte. Volgens het persbericht ontstonden zo dichte, atomair dunne structuren in het materiaal. De titel van het artikel, zoals geciteerd door TechXplore, beschrijft deze als geordende tweedimensionale defectfasen. Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie en computersimulaties koppelde het team de sterktewinst aan de manier waarop atomen rond deze defecten waren gerangschikt, en het persbericht meldt dat het veranderen van die rangschikking de sterkte van het materiaal zou kunnen beïnvloeden.

Volgens het persbericht verhoogde het proces zowel de spanning die de metalen konden dragen als hun weerstand tegen langzame vervorming, oftewel kruip, bij hoge temperaturen aanzienlijk. Hoofdauteur Andreas Bezold, adjunct-hoogleraar materiaalkunde en werktuigbouwkunde aan Ohio State, zei dat de resultaten suggereren dat een laag van ontworpen defecten conventioneel materiaalontwerp kan aanvullen. „We wilden deze versterkende structuren een bewust onderdeel van het materiaalontwerp maken”, zei hij. Het werk bouwt voort op eerder onderzoek van Ohio State waaruit bleek dat defecten die tijdens vervorming ontstaan versterkende lagen kunnen worden; het persbericht beschrijft de nieuwe aanpak als de eerste die defectdichtheden introduceert die deze legeringen volledig verrijken.

Co-auteur Michael Mills, hoogleraar materiaalkunde en werktuigbouwkunde aan Ohio State, zei dat hoewel defecten gewoonlijk met schade worden geassocieerd, „de juiste defecten met de juiste structuur en chemie een materiaal daadwerkelijk sterker kunnen maken”. Het persbericht suggereert dat de aanpak uiteindelijk gebruikt zou kunnen worden om sterke legeringen te produceren voor apparatuur die aan hoge temperaturen wordt blootgesteld, en noemt vliegtuigturbines en energiecentrales als voorbeelden, maar presenteert dit als een toekomstige mogelijkheid. Voorlopig, zo stelt het, is de bijdrage van het team het verbreden van ontwerpprincipes in de techniek.

De resultaten komen uit één peer-reviewed studie over twee specifieke legeringen. Het persbericht vermeldt geen industriële proeven, componententests of kwantitatieve sterktecijfers, en geeft geen tijdlijn voor praktisch gebruik. De financiering kwam van het U.S. Department of Energy en de National Science Foundation, met aanvullende steun van de Alexander von Humboldt Foundation en het Center for Electron Microscopy and Analysis van Ohio State.